L’origen d’aquest conjunt monàstic (1399) es remunta a la concessió, per part de Martí I, de l’antic palau reial de Valldemossa als cartoixans de l’ordre de sant Bru perquè creessin un monestir sota l’advocació de Jesús de Natzaret. El palau, conegut popularment com a Palau del Rei Sanç, va ser construït en temps de Jaume II (principis del segle XIV) i va ser consolidat durant el regnat del seu fill Sanç. 

Amb la donació reial (1399) feta als cartoixans es va iniciar la transformació del palau en monestir, i les obres es van allargar en diferents etapes fins al segle XVII. L’església es va edificar (1434-1475) sobre l’emplaçament de la cuina del palau i, uns anys més tard (1505-1626), es van acabar les obres del claustre major, situat al voltant del cementiri que ocupava l’antiga plaça del palau. Després vindria un segon claustre (1670), denominat de Santa Maria.

Després d’una incursió pirata es van erigir (1553) dues torres defensives d’alçàries dieferents, ubicades als dos extrems del monestir. Actualment subsisteix part de la menor, convertida en habitatge i localitzada al costat del jardí de la que va ser la cel·la prioral. La torre major, situada al costat de l’entrada al monestir, es manté íntegra, amb la barbacana, les espitlleres i el teuladell a quatre aigües. L’annex conegut com a infern, destinat als familiars dels monjos, es va construir el 1676.

La dilatada cronologia constructiva i el procés d’adaptació d’un edifici civil a usos religiosos, juntament amb un espai insuficient, va obligar a construir una edificació nova, el primer projecte de la qual (1718) va ser un disseny inspirat en la cartoixa barcelonesa de Montalegre. La intervenció de l’arquitecte J. de Aragón (1751) va determinar que el disseny final fos una església conventual, beneïda el 1812.

La llarga trajectòria històrica d’aquest monestir es pot seguir a partir de la permanència dels seus nuclis constructius principals: de la primera fase (fins el segle XVII), subsisteixen el claustre de Santa Maria i les seves cel·les, així com les dues torres defensives. Del segle XVIII destaca la construcció (1723-1725) de la farmàcia, avui dia instal·lada en una de les antigues capelles del pati de les Murtres i amb una col·lecció important de terrines de ceràmica catalana, vidre mallorquí i estris originals (segle XVIII), com balances, morters o retortes, etc.

L’església (segle XVIII) s’articula seguint una planta de creu llatina, el braç longitudinal de la qual disposa de quatre trams coberts per una volta de mig canó amb llunetes. La zona del creuer està coronada per una cúpula sobre petxines. Als peus del temple hi ha dos cors, un per als llecs i un altre per als monjos. D’acord amb la tradició cartoixana, darrere del presbiteri se situa una petita capella, dedicada al sagrari, de traç el·líptic i coberta cupular. L’autoria del disseny constructiu s’adjudica a J. de Aragón i a fra Miquel de Petra, juntament amb l’italià Jacinto Cocchi, mentre que en l’ornamentació destaquen les intervencions d’Adrià Ferran, Josep Folch i Manuel Bayeu.

En alçat, destaca el sistema de pilastres amb capitells compostos i l’entaulament de volada àmplia amb permòdols. Els murs estan revestits d’estuc blanc, que contrasta amb els sòcols de les pilastres de marbre gris i les pintures al fresc (finals del segle XVIII - principis del segle XIX) realitzades per fra Manuel Bayeu de la cúpula i la volta, que al·ludeixen, respectivament, a Crist triomfant acompanyat de representacions bíbliques i de les set virtuts, i a repertoris marians.

El conjunt ha atret, al llarg de la seva història, nombrosos personatges il·lustres, entre els quals destaquen Frédéric Chopin i la seva companya George Sand (l’estada dels quals va tenir lloc entre 1838 i 1839), i ha esdevingut un dels principals atractius del municipi i una de les visites turístiques més importants.