Fue fundado en 1644 por el Padre Plácido Mirto bajo la advocación de Nuestra Señora del Favor. No obstante, al ser un convento de clérigos teatinos, durante su historia fue más conocido por el nombre del fundador de dicha orden, San Cayetano de Thiene.

El convento, cuyo patronato adoptó el Consejo de Hacienda, se situó sobre lo que había sido un oratorio dedicado a San Marcos y a Nuestra Señora del Favor, fundado en 1612 por don Diego de Vera y Ordóñez de Villaquirán sobre unas casas de su propiedad en la calle del Oso.

En cuanto al edificio, empezó a construirse en 1669 por el arquitecto Marcos López, y aunque no se sabe con seguridad, se cree que las obras fueron continuadas por José de Churriguera y Pedro de Ribera, finalizándolas Francisco de Moradillo en 1761.

En 1822, durante el trienio liberal, el gobierno decretó el traslado de los teatinos a su convento de Zaragoza, quedando el edificio vacío hasta que con el regreso del absolutismo, Fernando VII se lo concedió provisionalmente a los frailes de San Gil, mientras finalizaban las obras de su convento de la plaza de San Marcial. Allí permanecieron los gilitos hasta que en 1836 son expulsados con la desamortización de Mendizábal, tras lo cual, el convento es convertido en casas particulares, mientras que la iglesia permaneció abierta al culto.

En 1869 se va a trasladar a la iglesia de San Cayetano la parroquia de San Millán Abad. Desde ese momento, la antigua iglesia de los teatinos pasó a convertirse en la iglesia parroquial de San Millán y San Cayetano, función que sigue desempeñando en nuestros días.