La diòcesi de Valladolid es constituí com a tal el 25 de desembre de 1595, mitjançant la butllaPro excellenti del Papa Climent VIII, a partir de territoris del bisbat de Palència. La creació de la diòcesi posà punt final al conflicte secular entre l'abat de Valladolid i el bisbe de Palència.
El 1668 es consagra la Catedral de Nostra Senyora de la Asumpció, seu de la diòcesi. Posteriorment, després de la signatura del concordat entre Espanya i la Santa Seu el 1851, el 4 de juliol de 1857 va ser elevada al rang d'arxidiòcesi metropolitana. El 1855 es creà el seminari diocesà.
El 1955 el territori diocesà va ser considerablement ampliat fins als llindars actuals.
