El Convento de Nostra Senyora del Carme de Valls fue fundado por fray Pedro de Santa María el 18 de febrero de 1320. Estaba situado extramuros de la villa, cerca de la llamada puerta del Carme. El edificio primitivo, sufragado en parte por los vecinos de la villa, no se terminó hasta principios del siglo XV. El 20 de noviembre de 1400 el rey Martín I de Aragón confirmó los privilegios otorgados al convento por sus antecesores Juan I el 25 de mayo de 1395 y Pedro IV el 1 de junio de 1358.

El convento fue gravemente dañado durante la Guerra dels Segadors (1640-1652). El edificio, que había empezado a reformarse en 1625, no terminó de reconstruirse hasta 1686, aunque la iglesia volvería a reformarse en el siglo XVIII. A lo largo de la historia del convento, el número de frailes osciló entre los 6 y los 25. Se convirtió en casa de noviciado en 1660, aunque al año siguiente se unió a la Strictior Observantia debido a los escándalos que había sufrido, lo que le impidió volver a ser casa de noviciado hasta 1726. El convento dispuso de una cátedra de teología desde 1749.

Durante el Trienio Liberal (1820-1823), el convento no fue suprimido, pero se vio obligado a acoger a los frailes del suprimido convento carmelita de Borjas por la Real Orden de 16 de mayo de 1821 sobre el arreglo de conventos de la provincia de Cataluña. El convento fue suprimido por las autoridades catalanas el 27 de julio de 1835 debido a los disturbios religiosos en el principado. La exclaustración fue confirmada por el Real Decreto de 11 de octubre de ese año suprimiendo los monacales.