En el siglo XVI los carmelitas descalzos trataron de obtener una fundación en Burgos, obteniendo la negativa del concejo de la ciudad. No obstante, la madre Catalina de Jesús, dejó en su testamento firmado en 1596 una hacienda en Villargámar para realizar una fundación de carmelitas descalzos, también Catalina de Tolosa y su hijo Sebastián, provincial carmelita de Castilla, insistieron al concejo para llevar a cabo la fundación. Finalmente sería en unos terrenos pertenecientes a la familia Salamanca, donde existía una ermita dedicada a Santa Catalina, donde se asentarían por primera vez los frailes. Así, el 27 de junio de 1606, los descalzos tomaron posesión del convento.

Permanecieron cinco meses en esa casa para después mudarse a otra casa, llamada Sarmiento, pero tampoco sería este su asentamiento definitivo y finalmente obtuvieron un solar cercana al Colegio cardenalicio de San Nicolás, que terminaría siendo su alojamiento definitivo. Para el uso del agua obtuvieron un privilegio de Felipe IV en 1620 y para costear las obras del futuro convento recurrieron a las rentas obtenidas de las familias pudientes, como los ya citados Salamanca o los Melgosa, que donaban a cambio de ser enterrados en la iglesia conventual. El 20 de noviembre de 1611 tomaron posesión del nuevo convento. En el siglo XVIII se instituyó un colegio de Artes, Teología Escolástica, Escritura Sagrada y Moral.

El siglo XIX supuso un punto de inflexión en la vida del convento que terminó cerrando sus puertas. El 10 de noviembre de 1808 las tropas francesas arrasaron el convento e incluso asesinaron a varios frailes. Los carmelitas lograron regresar en 1813, pero ya que el edifico conventual estaba muy deteriorado y las perdidas materiales habían sido cuantiosas. En 1835 la exclaustración decretada por Mendizábal provoca el cese de la vida del convento.