El convento fue fundado por María de Sandoval en el año 1538 sobre el solar de unas casas que habían pertenecido a Diego Arias, ambos vecinos de la ciudad de Valladolid.

Años después la fundadora cedió el patronato sobre la casa a su sobrino, Francisco Gómez de Sandoval y Rojas, I Duque de Lerma. El propio duque tenía la intanción de instalarse junto al edificio llegando a comprar los terrenos contiguos al convento para hacerse construir una residencia junto a la de las monjas. Finalmente desistió de ello al comprar otro edificio pero quiso compensar a las religiosas entregandoles una dote para que construyeran una nueva iglesia dentro de un plazo de tiempo determinado y siguiendo las trazas del arquitecto Francisco de Mora. Esta se inauguraría en 1612 contando con la presencia del propio duque de Lerma y del rey Felipe III.

Otro motivo por el que el convento de Belén se hizo famoso en la ciudad de Valladolid fue el proceso al que se vieron somentidas seis religiosas que lo coupaban en 1559. Se les acusó de herejía luterana, esto es, someterse a la doctrina luterana rechazando las normas católicas. Cuatro de las acusadas fueron condenadas a muerte y ejecutadas en la plaza de Valladolid.

Ya en el siglo XIX, concretamente en 1841, comienzan a surgir serios problemas en el edificio que generan el estado de ruina. Esto acabará por obligar a las monjas cistercienses a abandonarlo.

Se trasladan al Monasterio de Santa María de las Huelgas de la misma ciudad de Valladolid.

Quedaría la iglesia del convento que se convierte en parroquia de San Juan.

Entre 1882 y 1885 se derriba el convento y el solar es comprado por los jesuitas para levantar el Colegio de San José.

Permanecen en pie el palacete ducal anexo al convento y la iglesia pero sólo hasta el año 1924 cuando finalmente y debido de nuevo a su estado de ruina, se decide la definitiva demolición que se hará en 1930.

Todo el solar esta ocupado por el Colegio de San José que existe aún en la actualidad.