Fue construido por iniciativa del duque de Lerma, señor de Valdemoro, que deseaba engrandecer su señoría con la existencia de un convento, impulsado por el fervor religioso del S. XVII. El edificio se inauguró el 19 de mayo de 1.616 con grandes festejos y con la presencia del rey Felipe III, el duque de Lerma y el Arzobispo de Toledo.
La fachada es de aparejo toledano, su diseño recuerda al de Gómez de Mora para el convento de la Encarnación de Madrid. La entrada a la Iglesia está rematada con la escultura de Santa Clara flanqueada por el escudo del Ducado de Lerma y el Ducado de Medinaceli, perteneciente a Catalina de la Cerda, esposa del duque de Lerma.
La iglesia constituye el elemento más interesante del conjunto arquitectónico; aparece integrada en el ala norte del edificio monacal, su planta es de cruz latina con una sola nave, cúpula sobre el crucero y coro alto a los pies con reja de clausura.
El año 2016 fue declarado Bien de Interés Cultural.