Convento de monjas dominicas. Fundado por bula papal, otorgada por Inocencio VIII en 1488 a instancias de la hija de doña María Manrique, doña Elvira de Benavides, y puesto bajo la Orden de Santo Domingo. La iglesia actual es fruto de diversas transformaciones y ampliaciones en etapas sucesivas, con rasgos tardogóticos que derivan en una arquitectura clasicista. El templo sustituye al originario del convento, fue erigido a principios del siglo XVII por el arquitecto clasicista Pedro de Mazuecos. Los fundadores del mismo, D. Antonio Cabeza de Vaca y su esposa Dª María de Castro, están representados en sendas estatuas orantes del escultor Pedro de la Cuadra quien sigue el estilo de Pompeo Leoni.

Destacan el retablo mayor con pinturas de Diego Valentín Díaz. En las dependencias conventuales de la clausura se guardó un Cristo Yacente de Gregorio Fernández, que hoy se expone al culto en la iglesia de San Pablo. También en este templo, igualmente procedente de Santa Catalina, el Cristo Crucificado, obra de Juan de Juni, bajo el cual el artista pidió ser enterrado junto a sus esposas e hija.

Del conjunto conventual destaca el claustro irregular, obra del siglo XVI con formas góticas, platerescas y renacentistas. El conjunto y sus entornos evoca el ambiente urbano del Valladolid conventual de la época de los Austrias. Actualmente las dominicas se han trasladado al Monasterio del Corpus Christie y al de Porta Coeli, ambos en la ciudad, estando expuestas al culto sus mejores obras de arte en la iglesia conventual de San Pablo.