En su debut en ella la siguiente temporada, el conjunto vallisoletano realizó una gran campaña, terminando segundo dentro de su grupo y último en la fase final por el ascenso. El equipo continuó en trayectoria ascendente, logrando disputar la promoción de ascenso a Primera en la campaña 1942-43, pero en la temporada siguiente descendió a Tercera División. Y al año siguiente, la temporada 1947-48, dirigido por Antonio Barrios, se proclamó campeón de la categoría y consiguió su primer ascenso a Primera División, la máxima categoría del fútbol español.