A continuación se adentra en Castilla y León concretamente en la provincia de Soria.

Enlaza con la N-113 que se dirige hacia Pamplona, y a continuación atraviesa el casco urbano de Ágreda.

Posteriormente cruza las poblaciones de Matalebreras, Villar del Campo, Aldealpozo, Fuensaúco y Soria.

A las afueras de Valladolid, esta nacional alberga el punto negro con más siniestralidad en una rotonda.

Desde Valladolid hasta Tordesillas coincide con la antigua carretera N-620 actualmente desdoblada y convertida en la autovía A-62.