Se encuentra ubicado en la Iglesia de San Agustín.
El archivo alberga documentación que data desde el siglo XII hasta la actualidad.
El primer indicio del archivo es la antigua arca de las tres llaves, datada al menos desde 1375.
El arca contenía así la documentación más importante del concejo vallisoletano y era custodiada por tres regidores llamados "llaveros" en la iglesia de San Miguel, aunque también estuvo en San Pelayo, la colegiata de Santa María y el convento de San Francisco.
Es en 1507 cuando empieza a denominarse "archivo" y se traslada al edificio de las Casas Consistoriales de la Plaza Mayor, edificio que fue levantado por Juan de Herrera y que es el antecesor del actual edificio del Ayuntamiento.