Giunti in occidente attorno al 1238, si insediarono ufficialmente a Forlì il 9 novembre 1347 e l'anno seguente diedero avvio all'edificazione della Chiesa e dell'annesso convento.
Tra il 1348 ed il 1350 fu eretta la prima Chiesa, di modeste dimensioni, che venne ingrandita tra il 1482 ed il 1490 con l'edificazione di una grande cappella.
Con il passare dei secoli la Chiesa, di impianto romanico, si dimostrava decadente e troppo piccola per le esigenze della comunità. L'edificazione della terza Chiesa, quella attualmente presente, venne iniziata il 15 agosto 1735 e terminata 24 maggio 1746 su progetto del Cavaliere di Malta Giuseppe Merenda.
Con la soppressione degli ordini religiosi nel 1808 a seguito dell'invasione napoleonica, i beni dei Carmelitani vennero requisiti, e la Chiesa, con annesso convento, fu adibita a magazzino e stalla.
Con la restaurazione e poi con l'unità d'Italia in realtà la situazione non cambiò di molto e la Chiesa e il convento vennero dati dal demanio al Comune e da questo all'Amministrazione Provinciale. Solo nel 1914 il governo italiano dichiarò la Chiesa monumento nazionale.
Non si hanno effettive conoscenze sulla struttura della chiesa primigenia, anche se è logico pensare che, essendo più piccola di quella attuale, fosse costituita da un'unica navata.
La facciata della chiesa risulta spoglia ed incompleta. Solo nel 1841 fu impreziosita con il portale quattrocentesco in pietra d'Istria, che fino ad allora era collocato presso il duomo. Il portale, del 1464, capolavoro di Marino di Marco Cedrino, rappresenta le glorie della famiglia Ordelaffi: viene qui rappresentato uno degli Ordelaffi a cavallo, sebbene ufficialmente sia descritto come San Valeriano, circondato dai quattro santi protettori della città.
L'interno della chiesa, in stile barocco, è costituito da un'unica grande navata di 32,44 metri di lunghezza e 11,62 di larghezza. Ai lati della navata si aprono cinque cappelle per lato, divise da lesene dai capitelli corinzi. Gli altari sono collocati solo in otto delle dieci cappelle, infatti l'ultima di destra soppressa per creare un ingresso secondario all'edificio, e quella di sinistra consente l'accesso all'altare maggiore.
Gli affreschi della volta, divisi in 5 settori, raffigurano le virtù. Sulla parete d’ingresso, ai lati del finestrone, l’affresco a destra con la Temperanza mentre, a sinistra, la Prudenza. Nel primo settore della volta si trova raffigurata la Carità, nel secondo la Fortezza, poi la Speranza, la Giustizia e, ultima, la Fede. Il lavoro fu all'inizio affidato a Gaetano Alemanni che cominciò il proprio ciclo di affreschi nel 1779. I lavori furono in seguito affidati e finiti da Giuseppe Marchetti e Giuseppe Alberi nel 1783.
Dell’antica chiesa risale la parte inferiore del coro in noce, mentre le altre parti sono datate al 1743.
Anche l’organo, custodito in uno spettacolare impianto architettonico in legno, offre uno spettacolo di grande impatto visivo: la bussola, la cantoria e la cassa organaria costituiscono un elegante ed armonico insieme.
