Născut în Zaragoza, Aragon, Vallejo s-a alăturat echipei Real Youth în 2007. Pe 26 iulie 2013, după ce s-a făcut remarcat în echipa Juvenil, a semnat un nou contract cu clubul.
La 23 august 2014, înainte să apară pentru echipa B, Vallejo și-a făcut debutul profesionist, începând cu o remiză 0-0 la Recreativo de Huelva în Segunda División. La 26 decembrie, el și-a prelungit contractul până în 2019.
Vallejo a marcat primul său gol profesionist pe 5 aprilie, marcând într-o remiză în deplasare de 1-1 împotriva CD Tenerife. În același meci, a fost numit căpitan de echipă de managerul Ranko Popović, rămas în acest rol ulterior.
Real Madrid
La 31 iulie 2015, Vallejo a semnat un contract de șase ani cu Real Madrid pentru o taxă de 6 milioane de euro, fiind imediat trimis sub formă de împrumut la Real Zaragoza pentru un an. Vara următoare, s-a mutat în străinătate, după ce a fost de acord cu un contract de împrumut timp de un an cu clubul german Eintracht Frankfurt.
Debutul lui Vallejo în Bundesliga a avut loc pe 27 august 2016 într-o victorie de 1-0 acasă față de FC Schalke 04. A marcat un gol într-o remiza 2-2 contra celor de la RB Leipzig
La 7 iulie 2017, Vallejo a fost declarat fiind ca jucător a lui Real Madrid și membru al primei echipe pentru viitorul sezon. I s-a înmânat tricoul cu numărul 3, purtat anterior de Pepe. Debutul său oficial a avut loc pe 26 octombrie, în Copa Del Rey într-o victorie de 2-0 în deplasare împotriva la CF Fuenlabrada. Debutul său oficial în La Liga a avut loc zece zile mai târziu, victorie 3-0 la domiciliu Împotriva la Las Palmas. [14]
Profitând de accidentarea lui Nacho și suspendarea lui Ramos, Vallejo a debutat în Liga Campionilor la 11 aprilie 2018, jucând întregul meci la domiciliu, pierdere de 1-3 la Juventus în a doua etapă a sferturilor de finală, scorul final fiind 4-3 pentru Real Madrid.
.png){kind=small}
