Raksasa ibu kota tersebut membalikkan keadaan di penghujung waktu empat menit.
Luka Modric menjadi penyelamat.
Luka Modric mengkonversi dari titik penalti pada menit ke-37 setelah Francisco Garcia berselisih dengan Marco Asensio di dalam kotak.
Los Blancos kemudian memimpin pada menit ke-41 melalui Eder Militao, yang menyundul tendangan sudut dari Asensio ke bagian belakang gawang.
Namun, Rayo Vallecano membalas tiga menit kemudian, menyamakan kedudukan menjadi 2-2 berkat serangan kuat dari Alvaro Garcia.
Dewi Fortuna terus memayungi tim asuhan coach Andoni Iraola.
Pada menit ke-67, tendangan titik putih oleh Trejo kembali merobek gawang Thibaut Courtois.
Penalti didapat kubu Rayo Vallecano setelah terjadi handball oleh bek kanan Real Madrid Carvajal.
Gol ini sekaligus menjadi pembeda antara kedua tim, 23 menit menjelang pertandingan usai.
Penjaga gawang Los Blancos, Courtois, sempat menyelamatkan tendangan penalti awal.
Sayang, Carvajal dihukum karena berlari ke kotak penalti terlalu cepat, yang menyebabkan terjadinya pengulangan eksekusi penalti, dengan Trejo mencetak gol untuk mengubah skor menjadi 3-2.
Peluang terbaik Real Madrid untuk menyamakan kedudukan datang di akhir pertandingan saat Marco Asensio mengirimkan umpan kepada Rodrygo.
Namun, pemain internasional Brasil itu melepaskan tembakan di atas mistar gawang.
Dengan hasil tadi malam, maka saat tim asuhan Carlo Ancelotti kalah untuk pertama kalinya di La Liga musim ini.
Hasil tadi malam juga membuat Real Madrid down grade ke posisi kedua La Liga dengan 32 poin.