Aunque se desconoce la fecha exacta de la fundación, sabemos que una de las primeras parroquias que se funda en la villa de Calatayud es la que corresponde a la iglesia de la Virgen de la Peña. Fue construida sobre la antigua fortaleza conocida como Castillo de la Peña. En 1180 la iglesia es elevada a colegiata y durante estos años está en manos de los canónigos de San Agustín. En 1343 se emprendieron obras de remodelación de la antigua iglesia, construyendo una nueva de claros rasgos mudéjares, la obra duró 12 años. No obstante, no estuvo mucho tiempo en pie, ya que fue destruida durante la guerra entre Pedro I de Castilla y Pedro IV de Aragón, que sucedió entre los años 1356 y 1369.

En 1629 Nuestra Señora de la Peña deja de ser colegiata. Esto es debido a una fusión entre las colegiatas de Santa María y de Nuestra Señora de la Peña, quedándose ésta última vacía, motivo por el cual, en 1632, los clérigos menores regulares fundan una casa y se hacen cargo del santuario. Allí permanecieron hasta la Guerra de la Independencia, ya que en 1808 los monjes abandonaron el convento debido a que las tropas francesas entraban en Calatayud. Los franceses utilizaron el convento como fortificación, por lo que quedó en estado de ruina. Por ello, cuando regresaron los frailes tras el fin de la contienda, tuvieron que emprender unas obras de remodelación que terminaron en 1826. Pocos años más tarde, en 1835, los frailes tuvieron que abandonar definitivamente el convento tras ser suprimido debido a la aplicación de los decretos de exclaustración de Mendizábal.