Le club est fondé le 20 juin 1928 suite à la fusion du « Real Unión Deportiva de Valladolid » et du « Club Deportivo Español ». Son premier match a eu lieu le 22 septembre 1928 au Campo de la Sociedad Taurina contre Alavés, avec une victoire 2-1. Le premier but de ce match et de l’histoire du Real Valladolid Deportivo a été marqué par Sainz. Le premier président était Pedro Zuloaga Mañueco et le premier entraîneur, le Hongrois Esteban Platko. Lors du premier match officiel (championnat régional), le Real Valladolid a battu l’U.D. 12-0. Burgos.
La Coupe de la Ligue d’Espagne est une ancienne compétition de football organisée par la Ligue espagnole de football durant les derniers mois de la saison (mai-juin). Elle fut créée en 1983 sous l’impulsion de Josep Lluís Núñez, président du FC Barcelone, avec pour principal objectif de générer des profits supplémentaires pour les clubs (droits télévisés, billetterie des stades…). Elle fut disputée entre 1983 et 1986 et opposait les huit premiers du championnat. Chaque tour, y compris la finale se disputait sous forme de matchs aller-retour. En 1986, les clubs se mettent d’accord pour supprimer cette coupe face à la saturation du calendrier due à la création d’un système de play-off dans le championnat. Avec le Barça (2 victoires) et le Real Madrid (1 victoire), le Real Valladolid est la seule autre équipe à avoir soulevé le trophée, en 1984. Après un match nul 0-0 face à l’Atletico au match aller, c’est après prolongations au match retour que le Real s’impose 3-0.
Après avoir échoué à revenir en Première Division lors des saisons 2004-2005 et 2005-2006, le Real Valladolid entaîné par José Luis Mendibar atteint l’objectif lors de la saison 2006-2007. Valladolid est sacré champion de deuxième division. Le club est relégué à l’issue de la saison 2009-2010, remonte en Liga et est à nouveau relégué en 2014. En 2018, le Real Valladolid, dirigé par Sergio González, obtient la huitième promotion de son histoire en première division contre Numancia. Le club se maintient depuis dans l’élite.
Le 20 janvier 2008, Joseba Llorente a marqué le but le plus rapide de l’histoire de la Ligue espagnole contre l’Espanyol. L’attaquant de Valladolid a envoyé le ballon au fond des filets après seulement 7 secondes et 82 centièmes de jeu. Parmi les joueurs célèbres passés par le club, citons l’espagnol Fernando Hierro, le gardien colombien René Higuita – devenu célèbre pour son coup du scorpion -, le colombien Carlos Valderama, passé par Montpellier, le brésilien Tulio de Melo, passé par le LOSC, et l’argentin Gabriel Heinze, passé par le PSG puis l’OM.
