Según la tradición, los santos Orencio y Paciencia residieron en la heredad de Loreto, a las afueras de Huesca, y su hijo, San Lorenzo, nació allí. Probablemente por este motivo el rey Felipe II decidió convertir la antigua iglesia del lugar en un convento agustino en 1583. Los padres Pedro Malón de Chaide y Jerónimo de Aznar tomaron posesión del santuario de Loreto el 5 de enero de 1584. Un año después, durante las cortes de Monzón, el mismo monarca entregó al prior del convento, Malón de Chaide, el proyecto del nuevo edificio y 1.000 libras. El 22 de agosto de 1598, Felipe II también concedió al convento los bienes confiscados a Martín de Lanuza, justicia de Aragón, ejecutado por su papel durante la rebelión de Antonio Pérez. A este patrimonio se añadió en 1619 la iglesia de San Vicente el Alto, ofrecida por la ciudad de Huesca y utilizada como hospedería para religiosos.

El edificio, obra de Juan Torres, tardó muchísmo en construirse y no se concluyó hasta 1777, mientras que la fachada, trazada por Jerónimo Segura Bocanegra, fue terminada por Gabriel Rubio en 1765. La iglesia fue muy venerada y a ella concurrieron en romería la ciudad y pueblos limítrofes en diferentes festividades del año. Los frailes atendían también al confesionario y la predicación. Hasta 1808, el convento contaba habitualmente con 20 religiosos. Además de casa de noviciado, también tenía estudios de filosofía en donde enseñaban un maestro y un lector.

El convento contaba con 12 frailes en 1835, pero fue abandonado después del Real Decreto de 11 de octubre de ese año que suprimió todos los monasterios y conventos. El convento fue demolido inmediatamente, pero la iglesia fue restituida para el culto en 1858 y continuó abierta varias décadas más.