El Convento de San Pablo es la sede y la casa religiosa de la Orden de los Dominicos o Predicadores, fundada por santo Domingo de Guzmán en el siglo XIII, si bien la iglesia conventual que ha llegado a nuestros días fue erigida posteriormente, entre los siglos XIV y XVI, en estilo gótico tardío.
De ese modo, el antiguo convento sigue vinculado a los Dominicos, que tienen su residencia en un edificio anejo moderno, mientras que la iglesia celebra culto regular como parroquia. El convento, dedicado al apóstol san Pablo, fue fundado por el santo burgalés con apoyo episcopal en 1219 o 1220, poco antes de su fallecimiento en 1221; figura, por tanto, entre los más antiguos de la Orden de Predicadores. Entre 1184 y 1198 Domingo de Guzmán había sido estudiante y profesor en la Universidad de Palencia, y su casa, derribada en 1892, se levantaba en la misma plaza de San Pablo. En el mismo siglo XIII tomaron el hábito y desarrollaron su vida religiosa en este convento los dominicos Gil de Santarem y Pedro González Telmo, entre otros.
Además, este templo brindó la sede de las Cortes Generales de Castilla en tres ocasiones: en 1296 la reina regente María de Molina las convocó para garantizar el trono a favor de su hijo, Fernando IV, y en 1313. El Capítulo General de la Orden de Predicadores también se celebró en este lugar. San Pablo gozó de la protección de monarcas como Sancho III, Sancho IV y Alfonso XI, que convirtieron el convento en residencia y oratorio regio, y recibió incluso privilegios papales, de los pontífices Gregorio IX y Alejandro III.
Las labores de construcción de la nueva iglesia fueron iniciadas en el siglo XIV y no concluyeron hasta el siglo XVI. En 1514, bajo el patronazgo de los Rojas, marqueses de Poza y señores de Monzón, que deseaban ser enterrados aquí, se demolió la primitiva capilla mayor para construirse la actual, obra que quedó concluida en 1534. La iglesia fue consagrada el 7 de abril de ese año.
El templo fue ocupado por las tropas francesas durante la Guerra de la Independencia Española, que lo destinaron a hospital militar y presidio. Posteriormente, en 1835, la Desamortización lo puso en manos del Estado, perdiendo parte de su anterior esplendor. La comunidad dominicana regresó en 1844. En 1957 los dominicos ocuparon un edificio anejo a la iglesia diseñado por Jacobo Romero en 1920 y que hasta aquel año acogía los juzgados y la Audiencia Provincial de Palencia, pasando a destinarlo a residencia y noviciado de la orden.
La iglesia fue declarada Monumento Histórico-Artístico Nacional por decreto de 3 de junio de 1931. Es asimismo Bien de Interés Cultural (BIC).
Se trata de un templo de tres naves, más elevada la central, separadas por pilares compuestos, con capillas laterales en la nave de la Epístola. El eje longitudinal en la nave central mide 72,15 m. Las dos naves laterales se rematan en su cabecera con capillas absidiales de planta cuadrada, que son precisamente los únicos restos que quedan de la primitiva iglesia del siglo XIII, mientras que la nave central la cierra un ábside muy desarrollado en altura y anchura, cumpliendo la función de capilla mayor. Las bóvedas son de crucería con combados en la nave central, de crucería simple en las naves laterales, y de crucería estrellada en la capilla mayor.