El convento fue fundado en 1276 por Doña Violante, esposa de Alfonso X, pero su construcción no se realizó hasta 1286 gracias al empeño que en ello puso la Reina Doña María de Molina.
La construcción de la iglesia actual la sufragó Fray Juan de Torquemada entre los años 1445 y 1468, a su muerte las continuó el obispo de Palencia Fray Alonso de Burgos.
La iglesia, de estilo gótico tardío, tiene una sola nave de crucero, con capillas abiertas entre contrafuertes y que están comunicadas entre sí.
En el crucero hay dos monumentales portadas en piedra, realizadas por el taller de Simón de Colonia en 1490.
En la sacristía, mandada construir por el Cardenal García de Loaisa, hay una maravillosa bóveda estrellada, decorada con escudos y figuras de santos dominicos.
En 1601, bajo el patronato del Duque de Lerma, se reformó la fachada y se levantaron las torres que la flanquean.
La inmensa fachada, parcialmente de estilo hispano-flamenco, está decorada con esculturas góticas y en el frontón se encuentra el escudo de los Reyes Católicos.
Entre 1613 y 1616 fueron realizadas reformas en las capillas y el coro, por Diego de Praves, siguiendo el estilo herreriano. La tribuna y la puerta de la sacristía son obra de Juan de Nates.
En el interior de la Iglesia se encuentran entre otros, un cristo yacente y una escultura de Santo Domingo de Guzmán (1624), obras de Gregorio Fernández, dos pinturas de Bartolomé de Cárdenas, un Cristo de Pedro de la Cuadra y un Crucifijo en la sacristía que se atribuye a Alonso de los Ríos.