Se desconoce la fecha de su construcción, y aparece citada reiteradamente en la primera mitad del siglo XV.
Entre 1410 y 1419 se llevó a cabo un proceso judicial por el que se acusó a la comunidad hebrea de sacrilegio, teniendo como resultado la incautación de la Sinagoga Mayor.
En ella perteneció hasta el siglo XIX, que pasó a manos de la Iglesia católica, actual propietaria del inmueble.
En la actualidad se conservan escasos restos de la antigua sinagoga: tras las obras llevadas a cabo en el edificio por la comunidad de Jesuitinas en el año 1981 apareció el miqwab, y un año después la reforma del piso superior del mismo, donde se ubica la actual capilla católica, sacó a la luz diversos restos mudéjares, al parecer correspondientes también a la sinagoga.
En la parte superior aparece decorado con trapecios, hojas, circunferencias y una estrella de ocho puntas en una serie que se repite hasta diez veces, similar a la decoración de la portada del palacio de Enrique IV.