La ermita de la Virgen de Valverde se levanta donde, según la tradición, fue milagrosamente hallada una imagen de la santa en 1242. La ermita parece que se construye en 1350, convirtiéndose desde entonces en un importante lugar de peregrinación en Madrid, a dos kilómetros del antiguo pueblo de Fuencarral. Durante los trabajos de construcción del templo, cuenta la leyenda que brotó agua en el mismo lugar donde fue hallada la imagen con poderes sanadores, por lo que se colocó en el pasillo central de la ermita un pozo octogonal. La ermita primitiva, de la que se conserva las dos terceras partes, fue ampliada en los siglos posteriores llegando a su máxima dimensión en época barroca, siglos XVII y XVIII. El Concejo de Fuencarral solicitó al rey Felipe II en 1595 aceptara ser el patrón de la ermita y se donaron varios terrenos con la condición de que se erigiese un monasterio junto a la ermita. Aunque el rey aceptó, un año después la corona cedió el patronato de la ermita y del monasterio que debía construirse a Juan Ruiz de Velasco, secretario del rey, y su esposa, Isabel Nevares de Santoyo. El monasterio se construye a finales del siglo XVI, por encargo de Felipe II a Francisco de Mora, con posterior ampliación a cargo de Fausto de Manso en 1720. En 1723, Juan Bautista de Iturralde y Gamio solicitó la cesión de terreno con el fin de construir un palacete, de cuatro alturas, con jardín y pasadizo de acceso directo a la tribuna situada en el templo donde seguir los oficios. Iturralde obtuvo el título de marqués de Murillo en 1739, nombre por el que será conocido el palacio. Con financiación de Iturralde, se llevaron a cabo varias transformaciones del conjunto entre 1716 y 1720, entre ellas la reconstrucción de la ermita con creación de la capilla octogonal para la Virgen del Rosario y la capilla de la Virgen de la Guía, cierre del conjunto con puerta monumental de granito, construcción de la sala capitular y sacristía, un campanario, ornamentos, etc.
Durante la Guerra de la Independencia, los soldados se alojaron en el convento y lo vaciaron de mobiliario cuando lo abandonaron tras la derrota de la Batalla de Bailén. Con la desamortización, empezó la decadencia del conjunto y un pleito entre los descendientes de los marqueses y los vecinos de Fuencarral por la propiedad de la finca. Durante la Guerra Civil, se perdió la torre que se levantaba a los pies del templo. En 1990 el arzobispo de Madrid, Ángel Suquía, otorga el decreto de la formación de la Hermandad de Nuestra Señora de Valverde con el fin de continuar con los actos religiosos y que la propiedad pasase al pueblo. En 2000, se consiguió finalmente que la propiedad pasase a propiedad municipal (el pueblo de Fuencarral fue anexionado a la Villa de Madrid en los años 1950), llevando unos trabajos de restauración del conjunto en 2004 a cargo de Aurelio Rubio Jorge. El convento es convertido en edificio de equipamiento público: el sótano es ocupado por un auditorio y la primera planta, por un Centro Cultural; en la planta baja y el claustro se ha instalado un Centro de Interpretación de la Naturaleza donde se han ubicado talleres, aulas y salas de exposiciones, mientras que el palacio se destina a dependencias administrativas. El templo mantiene su uso religioso. Es un edificio de una sola nave cubierta de bóveda de cañón, dividida en tres tramos a la que se abren tres capillas laterales, entre las que destaca la de la Virgen del Rosario del s. XVIII, y un cuarto tramo cubierto por bóveda encamonada deprimida. El transepto poco destacando en planta, presenta crucero cubierto con cúpula sobre pechinas. Cuenta con coro a los pies sobre arco rebajado.
