Su fundación data del siglo XIII, con inicios en unas cuevas que se abren entre las calizas del borde del páramo, junto al nacimiento de unas fuentes, ocupadas por un colectivo de eremitas y situadas en el poblado denominado entonces como Aldea de los Valles. Fue reedificado a finales del siglo XIV bajo el patronazgo de Diego de Avellaneda, siendo ocupado por Carmelitas Calzados. Fernando IV El Emplazado, Rey de Castilla y León (1285-1312), concedió privilegios y decretos reales a favor de este convento el año 1302, cediendo para la fábrica de su iglesia todos los pechos que le contribuían los ocho pobladores de la aldea.
Sus primeros patronos y reedificadores, hacia 1390, fueron D. Diego González de Avellaneda, señor de Villovela y Gumiel de Mercado. Fallecido éste, en 1408, entró en posesión de sus Señoríos Dª. Beatriz de Avellaneda, casada con D. Diego Gómez de Sandoval, condesa de Castrillo y señora de Villovela, Gumiel de Mercado y Saldaña, que fundó una Capellanía en el convento, en 1431, de 1.000 maravedíes y 10 fanegas de trigo cada año, para misas por sí, sus padres y los de su marido. Muchos de los condes de Castrillo y sus hijos fueron enterrados en la Capilla Mayor de la Iglesia. D. Juan Delgadillo y Avellaneda, señor de Castrillo, dejó en 1590 sus bienes raíces al convento, una vez falleciera su mujer Dª. Catalina Niño Sousa de Portugal, a condición, entre otras, que debía haber 24 frailes (13 de misa y los demás legos y novicios) y que hubiera estudio de Gramática y Artes con un estudiante de cada convento de la Provincia. El testamento trajo consigo, además de las posesiones de sus bienes, el del Señorío Jurisdiccional con la potestad de elegir alcaldes, escribanos y alguaciles en los pueblos pertenecientes al Señorío.
El convento gozó de privilegios pontificios: entre otros, un Breve de Paulo V, fechado en Roma el 18 de Abril de 1613, concediendo Jubileo especial para este Convento en el día de la Natividad de Ntra. Señora y Clemente XII, el año 1738, reconoció como Altar Privilegiado al de la Virgen de los Valles. En 1752 el convento albergaba 19 religiosos. En 1835 fue desamortizado y pasó a manos privadas.
La iglesia de estilo gótico, se construyó en tres fases. Inicialmente constaba de nave principal de planta rectangular, con la torre y coro a sus pies. Después se hizo la puerta en el Sureste y se amplió con nueva nave, para lo cual se abrió un arco en la pared de la nave principal. La puerta fue tapiada entre 1764 y 1766, pasando a ser la pared Oeste de la nueva sacristía y quedando los contrafuertes dentro de la misma.
En el año 1582 se hizo el cuarto del Convento que corre desde la torre a la celda prioral y una cruz de piedra con gradas que estaba en el camino de Torresandino. El puente de piedra que está en medio de Las Encerradas, se hizo en 1649. En junio de 1651 se hizo el refectorio con púlpito. En el año 1655 se hizo la obra de la Capilla del Cristo de los Trabajos, con altar de piedra y cerrada por hermosa reja, ocupando una cueva contigua a la de Ntra. Sra. de los Valles. El año 1720 se hizo una de las bodegas que estaba bajo el refectorio y un sitio para las cubas que luego se cerró al desmoronarse el techo. En Abril de 1736 se hicieron las paneras, la hospedería a la puerta de los carros y las caballerizas bajo dicha hospedería. En 1763 se hizo la casa de los pastores en el corral de las ovejas, así como una arqueta en la fuente de la Virgen para desalar los pescados en agua corriente. Entre 1764 y 1766 se hizo la pescadería, donde se lograba la pureza del pescado bien desalado y se conservaba el vino fresco. También se hizo el arco de piedra que sale a la fuente y se entabló la celda prioral. Contiguo a ésta se encontraban las habitaciones de los frailes, en la parte superior del claustro. En la planta inferior se encontraba dicho claustro que comunicaba a través de unas puertas con la huerta, descendiendo unas escaleras de piedra. A lo largo del muro que daba a la huerta, había una especie de pasadizo subterráneo abovedado que recogía las filtraciones de agua, a modo de aljibe, posiblemente como reserva acuífera y para dar riego a la huerta. Entre Abril de 1777 y Mayo de 1781, se hizo un lagar con viga y piedra pilón; asimismo se arregló la pared de Poniente, bodega y ventanas, se blanqueó el refectorio, celda prioral y balcón de la misma. Hacia 1792 se reformaron la mayor parte de los tejados y se cubrió la parte de atrás del convento. El 21 de Abril de 1801 se hizo el corral de ovejas, puertas nuevas para el convento y para el establo de bueyes. En 1807 se compuso el palomar y se levantó el colmenar, se retejó todo el convento, se hicieron cristales para las ventanas de la celda prioral y vidrios para el refectorio y hospedería. En 1815 se realizaron numerosas reparaciones en la fábrica del Convento.
En el año 1810 fueron expulsados los monjes por el gobierno francés de José Bonaparte, volviendo al convento en 1815 y permaneciendo hasta 1835, año en que fueron exclaustrados definitivamente con la Desamortización de Mendizábal. El retablo del altar mayor se llevó en 1842 a la Colegiata de Roa de Duero. En 1841 pasó a la Parroquia de Torresandino el retablo de la Virgen de los Valles y estatuas de la Virgen del Carmen y Santa Teresa. El altar de San Miguel se ubicó en la Iglesia de Villovela de Esgueva.
Sin protección específica
Ruinas en abandono. Se encuentran las paredes y algún arco de la iglesia y sacristía, restos del Refectorio, de la bodega, de muros de la huerta y corrales, todo ello en ruinas y abandonado a su suerte. Uno de los dos arcos de la iglesia que sujetaban las bóvedas se desplomo hace diez años y también se ha hundido recientemente una de las cuevas integradas en el templo. Los contrafuertes del ábside gótico han ido perdiendo sus sillares, de manera que ya se abre por su mitad. Utilizadas como corral de ganado.
El escudo del Convento se encontraba en una de las columnas que sostenían el coro de la iglesia, hasta que, en el invierno de 2008, sufrió un devastador expolio en el que se perdieron tres arcos de gran valor arquitectónico, aunque algunas piezas fueron recuperadas.
En vías de hundimiento total. Sujeto a expolio, incluso reciente, que ha sido denunciados ante los Tribunales.