El Depósito de Locomotoras, formado por dos grandes cuartos de rotondas conectados y sus puentes giratorios, ha sido el único de estas características en España.
El emplazamiento de las instalaciones ferroviarias se decidió en el año 1856, momento en el que fue otorgada la conexión del primer tramo ferroviario entre Valladolid y Burgos. Unos años más tarde, la Compañía de los Caminos de Hierro del Norte de España promueve la construcción de la estación. El diseño general de todo el conjunto se realizó en 1860 por el ingeniero Jules Lesguilier, proyecto que fue seguido en sus diversas fases constructivas y prácticamente es el que ha llegado hasta la actualidad, aunque con algunas dependencias desaparecidas y otras que han ido cambiando la función para las que fueron concebidas. Consta de dos grandes áreas de distribución, dividida a su vez cada una de ellas en otras más reducidas según su función: Al norte de la vía, anexos al ensanche de la antigua ciudad se sitúan el edificio principal de pasajeros que se abre a la plaza de llegada a la estación orientada a Campo Grande y la marquesina para las dársenas de peaje; el área de mercancías, con muelles cubiertos y descubiertos y un embarcadero de ganado; el área de material móvil, en el que se encontraban las instalaciones de mercancías de gran velocidad, los talleres de material remolcado, pequeño material y telégrafo y, en su momento, cuartel de Regimiento de Ferrocarriles. Al sur de la vía, se emplazan los talleres generales que ocupan la mayor parte del suelo de este establecimiento ferroviario, con el taller central de reparaciones de RENFE operadora en activo hasta la actualidad; delante de ellos estuvieron los almacenes, hoy playa de vías para mercancías; el depósito de locomotoras. A estos conjuntos hay que añadir el singular arco de ladrillo, construido con anterioridad al resto de las edificaciones de la estación y por debajo del cual pasa el trazado de las vías.
