Kolejnym klubem w jego trenerskiej karierze został Real Valladolid. Już w debiutanckim sezonie 2006/07 sięgnął z nim po 1. miejsce w tabeli Segunda División i wywalczył upragniony przez kibiców awans do La Liga. W następnych latach Mendilibar miał do dyspozycji piłkarzy takiej klasy jak: pomocników Álvaro Rubio, Jonathana Sesmę, Sísíego, Pedro Leóna, Fabiána Canobbio, Nauzeta Alemána oraz napastników Josebę Llorente, Víctora, Henoka Goitoma czy Diego Costę i dwukrotnie udało mu się ze skazywanym na pożarcie zespołem uniknąć spadku z Primera División. W sezonie 2007/08 i 2008/09 Valladolid dwukrotnie zajął 15. miejsce. Decydującym o degradacji był natomiast sezon 2009/10 – wówczas drużyna baskijskiego trenera w ostatecznym rozrachunku straciła zaledwie 1 punkt do bezpiecznego, 17. miejsca (zajęła je ostatecznie Málaga CF). W połowie roku 2010 pożegnał się z Estadio José Zorrilla.