Existen en la provinica de Valladolid vestigios de presencia humana pertenecientes al periodo Achelense, del Paleolítico Inferior (Canterac) y, posteriormente, al periodo Calcolítico (Medina del Campo). Sin embargo, resultan más numerosos los restos pertenecientes a los pueblos Vacceos, que ocuparon el territorio  en torno al siglo V a.C. y cuya ciudad más representativa fue Pintia. Este pueblo resisitió en la zona hasta su derrota ante Roma en un proceso que duró desde el 178 a.C. hasta el 29 a.C.
  De la romanización persisten algunas villas, como la de Almenara-Puras, además de los elementos de infraestructura características de este pueblo (calzadas, puentes). Administrativamente, la provincia formó parte de la Hispania Citerior Tarraconensis, con capital en Tarragona.
  Los visigodos también ocuparon las tierras vallisoletanas en el siglo V y hasta la llegada del Imperio musulmán, siendo la instauración del catolicismo su principal aportación (iglesia de San Cebrián ). Se cree que el nombre de la provincia se creo en esta época, cuando Wamba es nombrado sucesor de Recesvinto en el año 672 en Gerticós, núcleo urbano que tomó el nombre de Wamba en ese momento.
  El Imperio musulmán llegó al Duero en torno al año 712. Pero su presencia al norte del Sistema Central fue prácticamente anecdótica, limitándose a guarniciones desde las que profundizar sus incursiones militares contra los reinos cristianos del norte. Así, el Duero y las zonas de la actual provincia se convirtieron en una frontera llamada por los cristianos "Campos Góticos", convertidos en parte de una frontera estratégica contra Al-Andalus, a medida que avanzaba la Reconquista.
  La ciudad de Valladolid fue fundada por Pedro Ansúrez en el 1072 como parte del proyecto de repoblación de Alfonso VI, momento a partir del cual cobró gran importancia estratégica entre los reinos de Castilla y León.
  Durante los siglos XI y XII se establecieron los concejos municipales, entre los que destacan Medina del Campo, Peñafiel, Olmedo y otros que determinaron la actual división del terreno vallisoletano. Sin embargo, la inestabilidad política continuó durante el s.XIII con constantes enfrentamientos ente las coronas de Castilla y León que culminarán en 1431 con el Tratado de Medina del Campo.
  Valladolid se convierte en ciudad cortesana desde el 1208, acumulando una importante actividad cultural en Castilla, con la construcción de iglesias, una Universidad o el tribunal de la Inquisición.