Convento de monjas dominicas fundado por bula papal. La iglesia actual es fruto de diversas transformaciones y ampliaciones en etapas sucesivas con elementos tardogóticos que derivan en una arquitectura clasicista. El templo sustituye al originario del convento, erigido a principios del siglo XVII por el arquitecto clasicista Pedro de Mazuecos. En las dependencias conventuales de la clausura estuvo un Cristo Yacente de Gregorio Fernández, que hoy está en la iglesia de San Pablo. También en ese templo de San Pablo, e igualmente procedente de Santa Catalina, está el Cristo Crucificado, obra de Juan de Juni. Del conjunto conventual destaca el claustro, obra del siglo XVI con formas góticas, platerescas y renacentistas. El entorno es, sin duda, una de las zonas más auténticas y evocadoras del Valladolid renacentista.