Dédiée à Notre Dame de l'Assomption, la construction de la cathédrale a débuté à l'emplacement de la troisième Collégiale gothique initiée en 1527. En 1582 Juan de Herrera projette, sur le plan basilical précédent, la construction d'une église à trois nefs et un transept, aujourd'hui inachevée. En 1596, selon la volonté de Philippe II (Roi d'Espagne) on décerne à Valladolid le titre de Ville, et ce pour y avoir créé le Diocèse et converti son Église majeure en Cathédrale. Au XVIII siècle, Alberto Churriguera reprend le schéma « herrérien » et lui donne sa propre empreinte baroque. La tour, endommagée par le tremblement de terre de Lisbonne de 1755, s'est effondrée en 1841. Ignorant le projet d'Herrera, la tour actuelle a été érigée de l'autre côté, de forme octogonale et couronnée en 1923 par la statue du Sacré Coeur de Jésus. À l'intérieure vous pouvez admirer le retable du maître-autel de Juan de Juni, puis le Musée du Diocèse et de la Cathédrale qui a été inauguré en 1965.