Este tramo tiene 54,5 km. de longitud entre los que se reparten 18 esclusas, que salvan un desnivel de 54.20 m. Se contruyó en dos fases, El Serrón-Dueñas entre 1792 y 1804 bajo la supervisión de Juan de Homar; y Dueñas-Valladolid entre 1831-1835, con Epifanio Esteban como responsable de las obras. En este tramo hay dos dársenas, la de Palencia, y la de Valladolid, punto de llegada y de partida de las embarcaciones, que lo convierten en el tramo más cosmopolita del canal.

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