La iglesia restaurada en los años 80 del siglo XX fue construida entre 1733 y 1766 con una única nave rectangular cubierta con bóveda de cañón con lunetos, capillas hornacinas entre contrafuertes y tribunas sobre las capillas, en el crucero una cúpula sobre pechinas. En su construcción trabajaron Ignacio Aznar, vecino de Nava del Rey y aparejador de Alberto de Churriguera, junto con los olmedanos Segundo Cecilia y Pedro de Benavente. En la sacristía trabajó el arquitecto Jerónimo de la Mejorada Fray Antonio de San José Pontones.
Pero si a su fundación nos referimos nos debemos remontar a 1328-1330. La capilla mayor se realizó en 1495 con el mecenenazgo de los Troche y el de Diego Velázquez y sus sucesores, los Marqueses de Cilleruelo, a partir de 1593.
La decoración de la iglesia se hizo con yeserías barrocas y teniendo como temas iconográficos a la orden de la merced, así aparecen las cadenas símbolos de la redención de cautivos a los que la orden consagraba sus haberes.
De este convento mercedario fue miembro uno de los hijos más ilustres de Olmedo. Fray Bartolomé de Olmedo primer evangelizador de Méjico que acompaño a Hernán Cortes en su conquista.