Con origen en el trazo a cordel de las calles con soportales que sucedieron al incendio de 1561, el llamado núcleo histórico de Valladolid se articula a partir de la Plaza Mayor mediante los siete viales que la atraviesan.

Urbanizada en el siglo XVI, la Plaza Mayor de Valladolid es la primera plaza mayor regular de España, y sirvió de modelo, desde el siglo XVII, para otras muchas en España y Sudamérica: en el siglo XIX, la antigua Plaza del Mercado se convirtió en centro cultural, político, económico y social de la ciudad.

En 1908 abrió sus puertas la actual Casa Consistorial, un palacio de cuatro torres, planta rectangular y patio interior, de cuyo frontal sobresale una tribuna que soporta el balcón principal. Este edificio es obra de Enrique María Repullés, inspirado en el proyecto de Antonio de Iturralde, pero modificándolo para imitar los modelos de la arquitectura renacentista española.

Frente a la Casa Consistorial, en el lugar que ocupó hasta el siglo XIX el Convento de San Francisco, donde falleció Cristóbal Colón, se encuentra el Teatro Zorrilla. El teatro fue inaugurado en octubre de 1884, con la obra Traidor, inconfeso y mártir, contando con la presencia del propio autor de la obra José Zorrilla, y del poeta vallisoletano Emilio Ferrari.

En uno de los laterales de la Casa Consistorial, la Iglesia de Jesús mantiene una fachada de modelo neorrománico de tipo catalán, en ladrillo prensado.

Atravesando la Plaza de la Rinconada, a espaldas del edificio del Ayuntamiento, en la que se levanta el Palacio de Correos y Telégrafos, se accede a la Iglesia de San Benito el Real, de la orden benedictina, uno de los templos más antiguos de Valladolid. Fue erigido sobre el antiguo Alcázar Real, y está realizado en estilo gótico, aunque la fachada es posterior: fue diseñada por Rodrigo Gil de Hontañón a mediados del siglo XVI. En el interior destaca la reja del mismo siglo, que abarca las tres naves de la iglesia. Junto a éste se halla el Mercado del Val, que data del siglo XIX.

Muy cerca, la Iglesia de San Miguel y San Julián, sobre el punto topográfico más alto de la ciudad, fue templo de la Compañía de Jesús en Valladolid, como lo atestiguan la fachada y la estructura interior, conformes al modelo romano. En su interior se pueden contemplar obras de Gregorio Fernández y relieves de Adrián Álvarez y Francisco del Rincón.

En la misma calle de San Ignacio se conservan algunos de los muchos palacios edificados en esta zona en tiempos de Felipe II, tales como el Palacio del marqués de Valverde, en cuyo exterior destaca una ventana en ángulo y la decoración de medallones, y el Palacio de Fabio Nelli, obra del clasicismo renacentista de Juan de Lastra y Diego de Praves. Junto a estos palacios, por una pequeña entrada, se accede a la Plaza del Viejo Coso, la primitiva plaza de toros de Valladolid.

En la Plaza de las Brígidas se encuentra el Convento de las Brígidas, antigua casa del Licenciado Butrón, convertido ahora en el Archivo General de Castilla y León. La iglesia adosada tiene una fachada de ladrillo de uniones a regla.

La Iglesia Penitencial de Nuestra Señora de la Vera Cruz, en el extremo de la Calle Platerías, fue diseñada por Diego de Praves en 1596. En su interior hay esculturas procesionales en madera policromada, pertenecientes a la Cofradía de la Vera-Cruz.