En 1562, alors que la guerre entre catholiques et protestants ravage la vallée du Rhône, les « Observantins de Saint-François » fuient Monteux où ils résidaient et demande asile à Carpentras. Soutenus par des familles nobles, ils acquièrent des maisons dans le quartier nord-est de la ville, rue du Marché-aux-cochons, et y installent leur couvent et une église. Cette dernière est érigée en paroisse en 1792,  et un curé constitutionnel est nommé ; puis l’église est convertie en temple décadaire et le couvent vendu comme bien national.

En 1802, la paroisse est rouverte ; l’église est restaurée. L’abbé Francis Pougnet l’agrandit en 1880 : sur une partie de la nef primitive sont greffés un important transept et une abside à sept pans, de style néogothique.

Un clocher à flèche signale l’église de loin. Un beau portail flanqué de colonnes ioniques ouvre sur un vestibule carré. Les vitraux, vraisemblablement d’origine lyonnaise, sont un bel exemple de la renaissance du vitrail au XIXe siècle : la Vierge, saint François, sainte Claire, les pères de l’Église témoignent de la spiritualité franciscaine des premiers fondateurs de cette église.