La primera noticia del convento nos viene dada por una bula de Inocencio IV en 1247. El convento de San Francisco de Cuéllar estuvo muy bien relacionado con la nobleza y realeza de la época. Así por ejemplo, en 1313 Alfonso XI de Castilla se alojó en él, en 1385 Beatriz de Portugal, señora de la villa de Cuéllar, realizó una junta general en el convento y en 1426 se hizo enterrar en el convento Fernán Velázquez de Cuéllar, canciller mayor de Fernando I de Aragón y virrey de Sicilia.

En 1413 Benedicto XIII de Aviñón otorgó una bula al convento por la cual era su modificada su regla. La etapa de máximo esplendor del convento comenzó cuando en 1464 Enrique IV de Castilla otorgó el señorío de la ciudad a Beltrán de la Cueva, duque de Alburquerque y valido del rey. Beltrán de la Cueva se convirtió en patrón del convento, haciéndose enterrar en él y prologando el patronato a su descendencia. Es a partir de este momento cuando el convento recibe grandes obras de arte, como una imagen de la virgen de Gil de Siloé o una colección de cuadros de Gil de Mena. Además, las obras de reforma del edificio contaron con la participan de los maestros Gil de Hontañón y Hanequín de Cuéllar.

En 1736 la comunidad hubo de abandonar el edificio ya que amenazaba ruina, tres años después y con las obras terminadas, regresaron. Aunque, en 1809, en el desarrollo de la Guerra de la Independencia, la comunidad de frailes es clausurada y el convento sufrió saqueos y expolio de gran parte de las obras de arte que atesoraba. Los religiosos regresaron al convento, pero en 1835 se produce su cierre definitivo tras la aplicación de los decretos desamortizadores de Mendizábal.