Klasztor Berdyczewski (klasztor-twierdza) Zakonu Karmelitów Bosych został ufundowany w 1627 r. przez wojewodę i starostę generalnego obwodu kijowskiego Janusza Tiszkiewicza jako ślubowanie wyzwolenia z niewoli tatarskiej. W 1630 r. Tiszkiewicz przeniósł swój zamek Berdyczewski z kilkoma okolicznymi wsiami pod klasztor i jako podstawę gospodarki klasztornej oraz przydzielił inne fundusze lokalne i pieniężne. W 1634 r. karmelici z Berdyczowa położyli „dolny” (podziemny) kościół Maryjski, zbudowali krypty handlowe, sklepy i inne budynki gospodarcze, przedłużyli mury twierdzy. Budowa trwała osiem lat. Uroczyste otwarcie klasztoru i konsekracja dolnego kościoła odbyła się 22 lipca 1642 r. Na tę uroczystość fundator przyniósł dar ofiarny dla nowego kościoła - znaną od dawna w rodzinie Tiszkiewiczów ikonę Najświętszej Marii Panny za jego łaskę. (Według informacji rozpowszechnianych w czasach sowieckich, aby zwiększyć rentowność kościoła, karmelici siłą wywieźli z cerkwi św. ). Wkrótce klyashtor staje się wielkim ośrodkiem gospodarczym i czynnikiem klasowym dla całego regionu. Pod tym względem miasto Berdyczów rośnie, zalane rzemieślnikami i kupcami, lawy pielgrzymów ciągną się do Berdyczowa. Polska władza królewska uwzględnia rolę i wagę kolonizacyjną klasztoru i przywiązuje do niego wielką wagę jako wysuniętą placówkę polskiej państwowości na Ukrainie. Państwo również pomaga wzmocnić militarną siłę klasztoru: naprawia twierdzę i wzmacnia klasztor działami i stałym garnizonem. Jako duża jednostka wpływów ekonomicznych i ideologicznych, klasztor zostaje wciągnięty w cykl sprzeczności klasowych i ruchów społecznych XVII wieku. Już w latach czterdziestych XVII wieku między karmelitami a właścicielami miasta Berdyczowa - patroni klasztoru (Tiszkiewicz) rozpoczęli długą zaciekłą walkę o pozycje gospodarcze i hegemonię.
Walka karmelitów z prawosławiem, forsowne szerzenie unii, wyzysk gospodarczy i prawny ludności uczyniły z klasztoru obiekt nienawiści społecznej całej miejscowej ludności. Dlatego gdy w 1648 r. na Ukrainie na skutek złożonych sprzeczności społecznych wybuchła na Ukrainie rewolucja „kozacka”, klasztor został prawie doszczętnie zniszczony przez rebeliantów. Twierdza bosych karmelitów wraz z wojskami gubernatora Tiszkiewicza próbowała stawić opór Kozakom, ale w bitwie pod Machnowką wojska polskie zostały pokonane, a klasztor i majątki Tiszkiewicza zajęły oddziały Chmielnickiego zmierzające do Zborowa . Karmelici, uciekając z Berdyczowa, wywieźli do Lwowa obraz Matki Boskiej. Przez 73 lata ikona znajdowała się w klasztorze Sióstr Karmelitanek Bosych, do 1721 r. W 1663 mnisi powrócili do Berdyczowa. Gdy odbudowali zniszczony klasztor, w 1684 zostali wypędzeni siłą przez spadkobierców Janusza Tiszkiewicza. Dopiero dekretem Trybunału Lubelskiego z 1717 r. nakazano właścicielom Berdyczowa oddanie zakonnikom zagarniętego majątku i naprawienie szkód. W tym samym okresie karmelici ponownie odbudowali klasztor i zwrócili Berdyczowowi ikonę Matki Bożej.
W tym samym czasie wznowiono walkę między karmelitami a spadkobiercami Tiszkiewiczów właścicielami Berdyczowa, rodziną Zawiwsza. Walka o hegemonię gospodarczą nasiliła się tak bardzo, że w 1684 r. Zawiszy wypędzili karmelitów z Berdyczowa. Karmelici uparcie walczyli o swoje prawa i przywileje, pozwani do trybunału, wreszcie na ich korzyść postawiono klasztor, kościół, zamek-twierdza, wieś Skragliwka, majątek, chleb, bydło, a Od Zawiszy zabrano dużo pieniędzy na remont klasztoru. W tym czasie (koniec XVII wieku) terytorium Berdyczewszczeny zostało objęte nowymi ruchami buntowniczymi kozacko-chłopskimi, które miały miejsce pod przywództwem słynnego pułkownika Fastow Siemiona Palija. Ruchy te determinowały walkę małej, wciąż wolnej, kozackiej własności ziemskiej z liczną szlachtą ukraińską i polską. W 1706 r. Palij pokonał wojska Jakowa Potockiego i Ruszczitów pod Berdyczowem, ale hetman, strażnik wielkiej stolicy Ukrainy, w osobie Iwana Mazepy, szybko okiełznał ruch ludowy. Przy pomocy sztuczek i zdrady Mazepa aresztował Palija w Machnowce i umieścił go w lochach twierdzy Berdyczowa, skąd po pewnym czasie został zesłany na daleką Syberię. Dopiero w 1717 r., po stłumieniu powstania ludowego, karmelici ponownie mocno osiedlili się w Berdyczowie, aw 1721 r. zwrócili obraz Matki Boskiej ze Lwowa. Karmelici zwrócili szczególną uwagę na odbudowę twierdzy. Stare mury zostały naprawione i znacznie powiększone; przy pomocy władzy królewskiej twierdza została uzbrojona w ciężką artylerię, ulokowano wzmocniony garnizon, samej fortecy nadano nazwę „twierdza Najświętszej Maryi Panny”. Twierdza stała się ważną twierdzą wojskową na prawym brzegu.
Już w 1732 r. twierdza karmelitańska brała udział w tłumieniu powstania hajdamaków i służyła jako schronienie dla zamożnej szlachty uciekającej przed hajdamakami. Ostrożni karmelici „na wszelki wypadek” zabrali swój cudowny obraz do Lublina, gdzie pozostał do 1736 roku. W latach 1739-1754, korzystając ze względnego spokoju w regionie, karmelici zbudowali nowy duży kościół nad starym kościołem „dolly”. Karmelici, nie szczędząc środków na jego budowę, zaprosili słynnych architektów Jana de Witte i Grigorija Tarnowskiego z Niemiec i Polski; słynny malarz Veniamino Frederice został wezwany z dalekich Włoch; Karmelici ułożyli. Bistrik duże cegielnie, kamień w płytach sprowadzano z Podola itp. Kościół zbudowano w stylu barokowym, z dużą centralną kopułą i dwiema wysokimi bocznymi wieżami. Wnętrze kościoła było szczególnie bogato zdobione złoceniami, sztukateriami, rzeźbieniami i rysunkami „al fresco”, gdzie barokowe fundamenty harmonijnie łączyły się ze stylem „rocaille”. W 1754 r. papież Benedykt XIV wysłał do kościoła Berdyczewskiego złote korony ozdobione cennymi diamentami za cudowną ikonę, a zwłaszcza dla ochrony przed Hajdamkami relikwie legendarnych świętych wojowników Fiodora i Jurija. W 1755 r. ikona została koronowana. Na koronację przybyli magnaci Lubomirski, Potocki, Sanguszki, Radziwiłłowie, Sługotski, Khoecki, Woroniczni i setki innych namiestników, starostów, kasztelanów, marszałków - z wojskami koronnymi i dworskimi; przybyły chmary zakonne jezuitów, bazylianów, dominikanów, piarów, karmelitów i innych; Przybyły 72 różne bractwa religijne. Tysiące pielgrzymów, rzemieślników i rzemieślników ściągało do klasztoru w nadziei znalezienia pracy; kupcy znajdowali tu dla nich towary i krypty. Karmelici korzystali ze wszystkich źródeł. W tym okresie rozwój gospodarczy i znaczenie polityczne klasztoru osiągnęły najwyższy poziom. Karmelici, używając „jedności” jako broni duchowej, a armii jako broni materialnej, wszędzie zasiali katolicyzm. Znaczenie klasztoru i Berdyczowa szczególnie wzrosło od 1765 r., kiedy to fundacja króla Stanisława Augusta dała Berdyczowowi prawo do organizowania dziesięciu dorocznych wielkich jarmarków. Takie prawo uzyskali Radziwiłowie, w których ręce przeszły majątki Berdyczowa od Zawiszów.
W 1758 r. karmelici z Austrii sprowadzili prasę drukarską. Została nabyta kosztem bractwa przy kościele i na podstawie przywilejów nadanych karmelitom berdyczowskim przez króla Augusta III, które zostały później potwierdzone przez cesarzową Katarzynę II. Wkrótce drukarnia ta nabrała ogromnego znaczenia w całej Polsce. Drukarnia Karmelitów Bosych w ciągu swojego prawie stuletniego istnienia (1758-1844) wydała ogromną liczbę publikacji religijnych, politycznych i innych. Karmelici prowadzili też cenną bibliotekę, zachowały się w niej cenne publikacje i rękopisy nawet z XV wieku. Klasztor jako silna jednostka gospodarczo-militarna aktywnie uczestniczył w wydarzeniach społecznych w 1768 r., walcząc z ruchem hajdamackim.
Po zdobyciu Fastowa i Machnówki oddziały hajdamaków podjęły decyzję o zdobyciu twierdzy Berdyczowa, ale w tym czasie klasztor i twierdza znajdowały się już w cyklu zbrojnych walk Rosji z konfederatami polskimi, broniącymi pozycji niepodległej Polski. Po klęsce konfederatów pod Barem i Żytomierzem oddział konfederatów pod dowództwem Kazimierza Puławskiego ukrył się w twierdzy karmelitów Berdyczowa, gdzie wytrzymał 25-dniowe oblężenie 8-tysięcznego korpusu rosyjskiego generała Kreczetnikowa. 14 czerwca 1768 r. Pułaski skapitulował przed Kreczetnikowem, „targując się” o cały oddział o prawo do swobodnego opuszczenia twierdzy, a Kreczetnikow na rozkaz Moskwy zmienił taktykę i skierował swoją armię przeciwko Gajdamakom.
Rząd rosyjski początkowo wspierał Gajdamaków w celu osłabienia sił Polski, ale straciwszy konkurenta dla swojej handlowej stolicy w Polsce, Rosja okiełznała także Gajdamaków, tłumiąc bunty przeciwko obszarnikom krwawymi odwetami. 4 września Krechetnikov wyjął armaty i inną broń z twierdzy karmelitów i udał się do Gajdamaków. Po odejściu wojsk rosyjskich karmelici w ciągu 4 tygodni ponownie odbudowali twierdzę, utworzyli garnizon i działa. Po rozbiorze Polski w 1772 r. i zniszczeniu Siczy Zaporoskiej w 1775 r. Rosja całkowicie zajęła Ukrainę. W 1792 r. ostatecznie zlikwidowano twierdza karmelitów w Berdyczowie. Polski magnat ziemski, aby ratować swoje majątki, masowo przyjął obywatelstwo rosyjskie. 19 kwietnia 1794 r. caryca rosyjska wydała rozkaz generalnemu gubernatorowi wołyńskiemu Tutołminowi, aby wszyscy posiadacze starostów i innych majątków w obwodach mińskim, zasławskim i bracławskim, którzy przyjęli obywatelstwo rosyjskie, nadal korzystali z tych dóbr jako swoich niezbywalna własność.
W ślad za szlachtą duchowieństwo katolickie zaczęło czepiać się „berła” potężnej Rosji, ratując tym samym swoje przywileje. Boso karmelici Berdyczewskiego również zmienili swoją taktykę i politykę. Klyashtor Berdicchevsky w tym czasie stał się rezydencją biskupa wołyńskiego i mińskiego Kaspara Kolota Cetsinowskiego. W następnych latach XIX wieku klasztor nadal odgrywał swoją rolę polityczną podczas „zamieszek ziemiańskich” w latach 1831 i 1863. Po stłumieniu powstań w Polsce rząd rosyjski zemścił się na klisztorze licznymi represjami. W 1832 r. zamknięto szkoły karmelitańskie, w 1844 r. zakazano drukarni, w 1864 r. ze względu na treść polityczną zakazano wydawania kalendarzy Berdyczowa w Żytomierzu, wreszcie w 1866 r. zlikwidowano sam klasztor. W tym samym 1866 roku do Berdyczowa przybył kijowski generał-gubernator Bezak z oddziałem wojskowym i po rozproszeniu karmelitów skonfiskował zabudowania klasztorne na potrzeby różnych instytucji państwowych (policja, straż pożarna, obecność wojskowa, apteka), i przekazali część zabudowań miejscowym kupcom na krypty na towary. Skonfiskowano także ziemie i majątki przemysłowe karmelitów.
16 czerwca 1918 r. karmelici ponownie odzyskali własność klasztoru. Kierowali parafią i byli strażnikami klasztoru (sanktuarium) do 1926 r. w trudnych porewolucyjnych warunkach. Po śmierci ostatniego karmelitanki - księdza Teresy Bolesław Sztobrin - komunistyczne władze Rosji przejęły klasztor na własność państwową. W górnym kościele powstało muzeum, w dolnym kino ateistyczne. W 1941 roku, tuż przed inwazją Niemiec na Związek Radziecki, w klasztorze wybuchł pożar. Najprawdopodobniej cudowna ikona zginęła w płomieniu.
W latach 1970-1980. Władze administracyjne Berdyczowa, pod nadzorem konserwatorów zabytków architektury z Kijowa, zapewniły cerkwi bezpieczeństwo, odrestaurowując sklepienia, instalując nowy dach z ocynkowanego żelaza na kościele i jego kopule. Odbudowano spalone cele, w których mieściły się szkoły średnie - muzyczne i artystyczne, które nadal zajmują i wykorzystują teren klasztorny do celów pedagogicznych i edukacyjnych. W 1991 roku władze państwowe Żytomierza i Berdyczowa przekazały wspólnocie katolickiej górną i dolną cerkiew klasztoru. Poświęcenie górnego i dolnego kościoła odbyło się w uroczystość Niepokalanego Poczęcia NMP 8 grudnia 1991 roku. Przygotowaniem do tej uroczystości było nocne wysłuchanie modlitwy połączone z nabożeństwem. Było to pierwsze nabożeństwo z kazaniem w dolnym kościele po 65-letniej przerwie.
W lipcu 1992 r. do Berdyczowa przybył ks. Tobiasz Zażecki, któremu oprócz działalności duszpasterskiej powierzono kierowanie pracami naprawczymi, restauratorskimi i budowlanymi pod nadzorem konserwatora zabytków architektonicznych z Instytutu Ukrproektrestawracja w Kijowie. Przekształcenie sali gimnastycznej w świątynię trwało kilka dni. Ale to był tymczasowy remont. Wkrótce, po zwrocie kościoła wiernym, rozpoczął się powrót do jego funkcjonalnego pierwotnego przeznaczenia i odrodzenia zniszczonej architektury. Największym problemem dla konserwatorów było zawilgocenie fundamentów i murów, które pojawiło się pod wpływem opadów atmosferycznych i wód gruntowych w wyniku braku hydroizolacji. Wzrostowi wilgotności sprzyjał fakt, że lochy i kanały wentylacyjne kościoła zostały zasypane ziemią. Groźnym skutkiem wilgoci było zasolenie murów kościoła, co doprowadziło do zniszczenia ceglanych ścian pomnika. Innym skutkiem wilgoci była obecność w ścianach infekcji mikrobiologicznej przez różne mikroskopijne grzyby i bakterie. Podczas czyszczenia lochów i zasypanych kanałów odnaleziono dużą liczbę ludzkich kości i szkieletów, dla których utworzono masowy grób - ossarium - w krypcie pod centralną flotą dolnego kościoła.
Aby zmniejszyć wilgotność i utrzymać ciepło w zimie, w dolnym kościele wybudowano przeszklony przedsionek, który blokuje zewnętrzne wejście do kościoła. Równolegle z odwodnieniem ścian kościoła kontynuowano prace związane z wymianą zniszczonego drewna konstrukcji dachu i zamontowaniem nowego pokrycia miedzianego zamiast zardzewiałego pokrycia z blachy ocynkowanej. W kościele i jego kopule wykonano również nowe rynny i podwójnie oszklone metalowe okna. Po wybudowaniu kanalizacji osadowej wykopano fundamenty kościoła od strony północnej w celu ich odwodnienia i uszczelnienia z materiałów sprowadzonych z Niemiec w 1996 roku. Wcześniej (jeszcze w 1993 roku) wykonywano instalację centralnego ogrzewania w nawach bocznych dolnego kościoła pod posadzką. W tym samym czasie zainstalowano oświetlenie elektryczne i system radiowy. W 1996 r. otynkowano i pomalowano wnętrze dolnego kościoła, zamiast drewna posadzkę wykonano z płytek ceramicznych. Po lewej stronie ołtarza wybudowano piękną kaplicę Chrystusa Ukrzyżowanego. W latach 1994-1995 kontynuowano prace nad restauracją elewacji kościoła oraz odnowieniem wystroju, płaskorzeźb i rzeźb na końcu fasady głównej. Prace te były realizowane dzięki pomocy finansowej instytucji kościelnych za granicą oraz darowizn indywidualnych. Obecnie trwają prace tynkarskie i dekoratorskie we wnętrzu kościoła górnego.
Na wielki szacunek zasługuje również gest władz miasta Berdyczowa, które na własny koszt odrestaurowały mury twierdzy od strony głównej fasady kościoła i klasztoru.