A l'espai en què avui es troba el teatre, es va aixecar fins a mitjan segle xix el palau de l'Almirall de Castella, gran edifici d'origen baixmedieval del qual es té escassa informació i que va ser totalment enderrocat per edificar l'actual teatre.
És de disseny eclèctic i tendència neoclàssica, amb influència de l'obra de l'arquitecte alemany Friedrich Schinkel. Segueix plànols de l'arquitecte Jerónimo de la Gándara. Consta d'un gran porxada al carrer Angustias i amplis finestrals, i a l'interior una majestuosa "sala", en forma de ferradura, "a la italiana", amb pati de butaques, llotges baixes, platea, amfiteatre, galeria i paradís o galliner. Està decorada amb luxoses pintures degudes a Augusto Ferri. Els llums laterals, d'estil modernista, daten de principis del segle xx. Antigament tenia capacitat per unes 1.200 persones. A l'escenari existia una enginyosa tramoia deguda a l'enginyer italià I. Piccoli. Existien altres estances, dedicades a cafè, biblioteca (ricament decorada amb pintures) i salons del Círculo del Calderón. La sumptuositat i magnitud de l'edifici va fer que fos un dels principals d'Espanya.
És el millor exponent de l'estil de vida de la burgesia, enriquida amb les primeres indústries de la ciutat, que volia emular els costums de les classes altes europees.
Aquestes expectatives, que no es cobrien amb el Teatre Lope de Vega, es plasmaran en aquest projecte. Es va desenvolupar al màxim el tipus de teatre inspirat en les grans òperes del continent, i va esdevenir el centre de la vida cultural de la ciutat.
Entre el segle xix i XX, va cantar-hi el tenor Julián Gayarre, es van representar obres de la companyia de María Guerrero, i Tomás Bretón va dirigir més d'un concert.
Va ser sotmès a una profunda remodelació, en què es van respectar solament la sala, les façanes i alguns elements més, perdent-se de manera poc justificada la tramoia de Piccoli i diverses peces d'interès. El 9 d'abril de 1999 va ser reinaugurat, amb la presència de la reina Sofia de Grècia amb l'espectacle de la Companyia Nacional de Dansa, dirigit per Nacho Duato, Multiplicitat: formes de silenci i buit. A la sala es va afegir l'enorme llum central, dissenyat a la Reial Fàbrica de Cristalls de la Granja, de 1.000 quilograms de pes, tres metres de diàmetre, 30.000 peces de vidre, 153 punts de llum i 9.280 watts.
En l'actualitat compta amb una capacitat per a 1.141 persones i acull durant la temporada representacions de teatre, òpera, sarsuela, dansa, ballet, flamenc i jazz a més de ser la seu de la Setmana Internacional de Cinema de Valladolid (SEMINCI). Però les seves dependències no es limiten al teatre, sinó que a més compta amb una sala d'exposicions, la Sala Delibes i el seu Saló dels Miralls, llocs on se celebren activitats no escèniques.
