La imponente fachada de Valladolid que vio nacer a Felipe II

Cuenta la leyenda que el vecino de la iglesia, el palacio de Pimentel, vio como se sacaba por una de sus ventanas, de la que actualmente cuelga una cadena, al recién nacido y heredero al trono Felipe II para que fuera bautizado en San Pablo. Esta divertida anécdota se debe a que, si hubiera salido por la puerta, debería haber recibido el bautismo en la cercana iglesia de San Martín, y tenía más renombre que la elegida para dar el santo sacramento al futuro rey de España fuera San Pablo.

Pero hasta llegar al llanto postparto del próximo monarca del reino hay que rebobinar unos siglos. Desde 1260, por iniciativa de la reina Violante de Aragón, esposa de Alfonso el Sabio, se empezaron a organizar las residencias de franciscanos y dominicos, pero la construcción del convento de San Pablo no se hizo efectiva hasta 1286 por empeño de la reina María de Molina.

El edifico de los siglos XIII y XIV no es como el que conocemos hoy, pues fue el cardenal fray Juan de Torquemada, tío del inquisidor general Tomás de Torquemada, quien sufragó entre 1445 y 1468 las obras para la construcción de la iglesia definitiva gracias a las bulas papales. Esta nueva construcción sustituyó a la antigua casi por completo. A lo largo de los años se fueron añadiendo partes como el claustro o la capilla funeraria, pero la mayor reforma fue realizada cuando se trasladó la capital del entonces Imperio a Valladolid.​

El duque de Lerma, originario de Tordesillas y valido de Felipe III, costeó a partir de 1601 el acondicionamiento de la fachada principal de la iglesia, que había pasado casi dos siglos sin ser tocada, y dotó al templo de gran cantidad de elementos decorativos, que hoy hacen San Pablo tan única. Además, las características torres que flanquean la fachada hoy en día, son de esta época.

Muchos años después de la anécdota —o leyenda— del palacio de Pimentel y Felipe II, el siglo XIX trajo la invasión francesa, que llegó a Valladolid con la profanación de la iglesia por parte de las tropas napoleónicas. Los graves daños y la progresiva ruina del conjunto, añadido a los distintos procesos desamortizadores, solo dejaron en pie la iglesia del conjunto.

Ya en 1968, la iglesia sufrió un incendio. El fuego se declaró sobre las 13:10 horas del lunes 9 de septiembre, y solo más de dos horas después, a las 15:30 horas, los bomberos consiguieron detener el avance de las llamas. A pesar de ello, se mantuvo la alerta por si hubiera brasas que pudieran reanimar el fuego, pues fue además una jornada calurosa en la que hubo 32 grados de máxima. Finalmente, el fuego solo destruyó la parte de cubierta antigua que se hallaba sin restaurar en esos momentos, poco daño para el que podría hacer sucedido si se hubiera propagado el fuego al aledaño Museo de Escultura.

​En los años siguientes, la primera a raíz del fuego, se llevaron a cabo varias restauraciones. En concreto, durante 2004 y 2009,​ la iglesia fue objeto de una restauración integral. Así, hoy por hoy, la estructura de la fachada está formada por tres cuerpos, que responden parcialmente al estilo gótico isabelino. La primera parte de esta joya se divide desde la imposta que se encuentra encima del rosetón central, en la que se distinguen varias gárgolas, hasta las agujas situadas a ambos lados. Sobre la puerta resalta el arco conopial de perfil ondulado que guarda un relieve con la escena de la Coronación de la Virgen, en presencia de fray Alonso de Burgos, arrodillado, y en compañía de los Santos Juanes. Sobre este relieve se encuentran unos ángeles con escudos del Duque de Lerma.

La segunda parte de la fachada, compartimentada en espacios rectangulares, llega desde la imposta hasta el límite inferior del frontón triangular superior. La mentalidad clasicista explica la claridad de su ordenación y para su decoración se utilizaron esculturas góticas. El acoplamiento de estos motivos y elementos decorativos se llevó a cabo durante el patronato del duque de Lerma, junto con la construcción de las dos torres, por lo que presentan las armas y lápidas indicativas de los Sandoval y Rojas, duques de Lerma.

Por último, la fachada se remata con el frontón triangular. Sobre un fondo de escamas hay un escudo de los Reyes Católicos, que corona toda la portada. El frontón presenta una idéntica unidad estilística con el cuerpo bajo de la misma forma, pero en cambio, la decoración que le envuelve no es gótica sino renacentista.