Своєю грою за останню команду привернув увагу представників тренерського штабу клубу «Реал Вальядолід», до складу якого приєднався 2010 року. Відіграв за вальядолідський клуб наступні п'ять сезонів своєї ігрової кар'єри. Більшість часу, проведеного у складі «Вальядоліда», був основним гравцем команди.
Розпочав тренерську кар'єру невдовзі по завершенні кар'єри гравця, 2022 року, очоливши тренерський штаб клубу «Гоа». Наразі досвід тренерської роботи обмежується цим клубом, в якому Карлос Гонсалес Пенья працює і досі.