La fundación del primitivo convento data de finales del siglo XVI y se debió a Francisco de Praves. En 1780 se reconstruye todo el edificio encargando las trazas a Francisco Sabatini, que finalizará las obras en 1787. El templo es elíptico y cubierto con cúpula. Es el exponente más importante, puro e íntimo de la arquitectura neoclásica en Valladolid.

En la Iglesia, adquieren notable interés los retablos con pinturas de Francisco de Goya y de Ramón Bayeu. En 1978 fue habilitado como Museo, que consta de siete salas distribuidas en dos plantas, con pinturas del siglo XVI, una colección de imágenes de vestir del Niño Jesús y algunas magníficas esculturas en madera policromada: un Cristo Yacente de Gregorio Fernández y una Dolorosa de Pedro de Mena. Completa el conjunto una interesante colección de ropas de culto de los siglos XVI al XVIII y otros fondos de particular interés conventual.