Τον 17ο αιώνα, μετά την κατάληψη της βενετοκρατούμενης Κρήτης από τους Οθωμανούς το 1669, κατέφυγε στην Χίο ο μοναχός Ιερεμίας. Εγκαταστάθηκε στο ιστορικό σπήλαιο του Προβάτειου. Ο Κρητικός μοναχός Ιερεμίας μετασκεύασε τη σπηλιά σε ναό. Ήταν η εποχή της πανδημικής πανώλης που απλωνόταν στις κτήσεις της Γαληνοτάτης Δημοκρατίας της Βενετίας, αλλά και στις χώρες της Μεσογείου. Η θανατηφόρα ασθένεια κτύπησε και το νησί της Χίου. Ο μοναχός Ιερεμίας προσβλήθηκε από πανώλη και κινδύνευσε να χάσει τη ζωή του. Σύμφωνα με την παράδοση, επικαλέσθηκε τις πρεσβείες των Οσίων Πατέρων, αποκοιμήθηκε και στον ύπνο του είδε τους τρεις θεοφόρους και σεπτούς ασκητές να τον ευλογούν και να απομακρύνουν την ανίατη ασθένεια. Μόλις ξύπνησε, ήταν εντελώς υγιής. Τότε, από ευγνωμοσύνη προς τους Αγίους, ζωγράφισε τη μορφή τους, όπως τους είδε σε οπτασία στον ύπνο του.
Το μοναστηριακό συγκρότημα με την εικόνα που έχει σήμερα, ανάγεται στο τελευταίο τέταρτο του 19ου αιώνα. Συνδέεται με τον μοναχό Παχώμιο, ο οποίος καταγόταν από την Ελάτα της Χίου. Το 1868 ο Παχώμιος στον αρχικό μικρό μοναστηριακό χώρο του Ιερεμία, ίδρυσε ένα μοναστηριακό συγκρότημα με καθολικό, κελιά και βοηθητικούς χώρους, στη μνήμη των Αγίων Πατέρων, Νικήτα, Ιωάννη και Ιωσήφ. Το 1898 ο όσιος Παχώμιος ίδρυσε στον λόφο Φραγκοβούνι του Κάμπου Χίου, ανατολικά της πόλεως της Χίου, την ιερά Μονή Αγίων Κωνσταντίνου και Ελένης, το οποίο είναι γυναικείο μοναστήρι.
Επανερχόμαστε στη Μονή των Αγίων Πατέρων. Αξίζει να αναφερθεί ότι από την αρχή της ίδρυσης της μονής ο Παχώμιος οργάνωσε εργαστήριο θρησκευτικής ζωγραφικής. Οι μοναχοί καλλιέργησαν την τέχνη της αγιογραφίας και ήταν φημισμένοι για την τέχνη τους.
Η πρώτη μεγάλη καταστροφή στο μοναστηριακό συγκρότημα έγινε το 1912. Τον Νοέμβριο του 1912 στην περιοχή γύρω από τη μονή είχαν εγκατασταθεί οι Τούρκοι του Ζιχνή Μπέη, καταδιωκόμενοι από το ελληνικό στρατιωτικό σώμα, που είχε έρθει να ελευθερώσει τη Χίο. Ένα από τα ελληνικά πολεμικά πλοία, το «Μακεδονία» βομβάρδισε τους στρατοπεδευμένους στην περιοχή της μονής Τούρκους στις 17 Δεκεμβρίου του ίδιου έτους. Αποτέλεσμα ήταν κάποιες οβίδες να προκαλέσουν αρκετές ζημιές στα κτήρια και στον περιβάλλοντα χώρο του μοναστηριακού συγκροτήματος.
Σήμερα η εικόνα του μοναστηριακού συγκροτήματος εντυπωσιάζει τον επισκέπτη. Τα κτήρια είναι κτισμένα σε διάταξη κατά μήκος, προσαρμοσμένα στην διαθέσιμη επιφάνεια της βραχώδους περιοχής. Η ατμόσφαιρα είναι υποβλητική και απόκοσμη μέσα στον αρχικό σπηλαιώδη ναό. Το διαμορφωμένο σε ιερό ναό σπήλαιο είναι εντυπωσιακό και ασυνήθιστο, καθώς το μαρμάρινο τέμπλο, τα καθίσματα, ο πολυέλαιος και τα κηροπήγια προβάλλουν κάτω από την βραχοσκεπή, συνθέτοντας ένα κατανυκτικό σκηνικό.