Para fundar el convento de agustinas vinieron del convento de Valencia sor Violante Castellví, de destacada familia valenciana, y tres religiosas más; era el año 1564, en tiempos de Felipe II. A la fundación del convento contribuyó la familia Martín de Mirambel. La villa concedió a las religiosas el uso de la iglesia de Santa Catalina y su anejo hospital, y también ocuparon otros solares próximos.
El convento fue reconstruido en 1831, debido a los importantes daños que había sufrido durante la guerra de la Independencia.

En 1855 se desató una epidemia de cólera que en Mirambel acabo con más de un centenar de vidas. En el convento más de la mitad de las religiosas murieron y las autoridades civiles ordenaron el cierre.

Desesperadas las religiosas se dirigieron a la Reina Isabel II rogando ayuda para evitar que el convento fuese desalojado, para ello argumentaron un episodio de la historia del convento que se produjo un par de décadas antes, durante la Primera Guerra Carlista. Mirambel estaba siendo atacado por los carlistas, y una compañía de veinte liberales buscaron refugio en el convento. Las religiosas ocultaron a los liberales asumiendo el riesgo de ser descubiertas y represaliadas.

Durante la Guerra Civil las monjas tuvieron que volver a sus casas familiares.

En 1980 las monjas abandonan el antiguo convento de Mirambel, después de más de cuatrocientos años de historia, para trasladarse a Benicassim donde todavía mantienen el nombre de Nuestra Señora de Mirambel.