La Estación de Valladolid La Esperanza es la cabecera del ferrocarril de Valladolid a Ariza abierto por la compañía MZA en 1895, año en que se inauguró la estación. La citada línea fue clausurada para viajeros el 1 de enero de 1985, aunque continuó durante algunos años más dando servicio de mercancías. Actualmente el citado ferrocarril sólo continúa en servicio hasta el cargadero de La Carrera para dar servicio a la fábrica de automóviles Renault.
Pese a ser la cabecera del ferrocarril antes mencionado, el punto de inicio de la línea no se encuentra en la estación, sino que la señal más cercana al edificio de viajeros es la del kilómetro 0'6. El punto de inicio de la línea Valladolid-Ariza se encuentra, por tanto, 600 metros más atrás, a la altura de la antigua fábrica de FASA Renault en Valladolid. Es posible identificarlo en la actualidad por la proximidad de un cambio de agujas, aunque el punto exacto se encuentra aún unos metros más alejado de la estación que ese cambio.
Desde 2007, 4 de las vías de esta estación se encuentran electrificadas para suplir la escasez de vías en la Estación de Valladolid Campo Grande, debida a las obras de adaptación de esta última al servicio de Alta Velocidad.
El edificio de viajeros ya no presta uso ferroviario y en su planta baja radica la sede social de la Asociación Vallisoletana de Amigos del Ferrocarril (ASVAFER).