El Convento de Nuestra Señora del Carmen de Valladolid fue fundado por Bernardino de Mendoza en 1551. Los carmelitas calzados ya habían intentado fundar un convento en 1520 sin éxito. Los primeros frailes procedían de los conventos de San Pablo de la Moraleja o Medina del Campo. Inicialmente, el convento estaba situado en un lugar entre el río Pisuerga y el camino de Salamanca llamado Río de Olmos, pero en 1552 los frailes se trasladaron al Campo de la Verdad debido a la insalubridad de su primera ubicación. María de Mendoza donó 2.000 ducados para el traslado.

La construcción del edificio empezó en 1573 bajo el patrocinio de Ana de Velasco, pero no se terminó hasta el siglo XVII. Las obras fueron dirigidas por Francisco del Río, Pedro de Mazuecos, Juan de Mazarredona padre e hijo y Francisco de Praves. La iglesia tenía esculturas de Gregorio Fernández.

En 1801 el convento fue utilizado brevemente como hospital de campaña durante la Guerra de las Naranjas (1801). La Guerra de la Independencia (1808-1814) interrumpió la vida del convento. El edificio fue utilizado como hospital militar entre 1809 y 1813 y sufrió un gran incendio en 1812 que destruyó todo el tejado. Los frailes no pudieron restablecer la vida conventual hasta que no terminó el conflicto.

Durante el Trienio Liberal (1820-1823) el convento tuvo que acoger a los frailes del suprimido Convento de San Andrés de Salamanca por la Real Orden de 12 de mayo de 1821 sobre el arreglo de conventos de la provincia de Salamanca, en cumplimiento de la Ley sobre monasterios y conventos de 25 de octubre de 1820. El convento fue suprimido definitivamente el 5 de febrero de 1836, en cumplimiento de los decretos de exclaustración de 1835.