El Convento de Nuestra Señora del Carmen de Villarreal fue fundado el 5 de septiembre de 1593. Un año antes María Aznar había donado a los carmelitas calzados una casa y un huerto en las afueras de la villa para la fundación, pero hasta 1593 no obtuvieron la licencia del obispado. El 19 de septiembre de 1593 la villa donó al convento la ermita de San Blas y Santa Bárbara, aunque en la segunda mitad del siglo XVII el edificio primitivo fue sustituido por un convento de nueva planta.

A lo largo de la historia del convento, el número de frailes osciló entre los 15 y los 34. El convento llegó a disponer de una renta de 44.065 reales de vellón en 1771, aunque a principios del siglo XIX sus ingresos se habían reducido a 29.330 reales de vellón. El convento contaba con una cátedra de teología moral.

La Guerra de Sucesión (1701-1714) interrumpió la vida conventual. Los frailes se vieron obligados a dispersarse cuando las tropas borbónicas asaltaron la villa en 1706; algunos se refugiaron en el convento de Onda y otros en la iglesia parroquial. El archivo del convento se perdió durante la guerra. La Guerra de la Independencia (1808-1814) también provocó la dispersión de los frailes entre septiembre de 1811 y junio de 1813.

Durante el Trienio Liberal (1820-1823) el convento fue suprimido y sus frailes fueron obligados a unirse a la comunidad del convento de Onda por la Real Orden de 21 de mayo de 1821 sobre el arreglo de conventos de la provincia de Valencia, en cumplimiento de la Ley sobre monasterios y conventos de 25 de octubre de 1820. El convento fue suprimido definitivamente por la junta de gobierno del reino de Valencia y Murcia el 21 de septiembre de 1835, tras la publicación del Real Decreto de 25 de julio de ese año suprimiendo los monasterios y conventos de religiosos con menos de 12 individuos profesos. La exclaustración fue confirmada por el Real Decreto de 11 de octubre suprimiendo los monacales.