La fundación de este convento castellonense se produce cuando el fraile Diego Serrano, religioso mercedario que había sido general de la Orden, llegó al obispado de Segorbe a mediados del siglo XVII. Tras de un acuerdo con el Cabildo catedralicio, los monjes mercedarios, provenientes del convento de Arguines, se hicieron cargo de la iglesia de Santa Ana, en el año 1652.

El convento de Arguines fue asaltado por piratas moros, lo que motivó que la Orden pensara trasladar la comunidad a Segorbe, decisión que se aprobó en el capítulo general de Játiva el 31 de mayo de 1652. Los monjes llegados desde Arguines no debieron ser muy numerosos, un informe de 1656 señala que el convento de Segorbe albergaba apenas 4 ó 5 monjes. No obstante, a la hora de poner en marcha el convento, los monjes mercedarios contaron con el apoyo incondicional de la cofradía local de la de la Santísima Trinidad, que hasta ese momento tenía su sede en la iglesia de Santa Ana, quedando vinculada desde entonces a la historia de esta orden.

Las obras para el nuevo edificio, que quedó entonces bajo la advocación de San Joaquín y Santa Ana, se prolongaron hasta finales del XVII. El templo, al que se accede por una pronunciada escalinata, es de estilo barroco con una sola nave, sin crucero y con capillas entre los contrafuertes. En el interior destaca la decoración realizada, probablemente, por el taller del afamado arquitecto Juan Bautista Pérez Castiel y en el exterior, el interesante juego de volúmenes y la gran fachada flanqueada por el campanario.

La comunidad mercedaria permaneció hasta la exclaustración, en 1835. Desde entonces fue utilizado como hospital militar, cuartel o colegio municipal. La parte conventual del edificio se hundió en 1881 y la iglesia, tras varias restauraciones, se mantiene como templo parroquial de Segorbe.