En el Metropolitano, Álvaro Morata marcó con una volea que empalmó con la zurda (31), tras pase de Filipe Luis, para finalizar una brillante acción colectiva.
El Real Madrid se quedó sin reacción y perdió una gran ocasión de acercarse a la pelea por el título.
El Villarreal se clasifica como primero del grupo G con 10 puntos, los mismos que el Rapid de Viena, que en el otro partido de la llave se impuso por 1-0 al Glasgow Rangers escocés.
Los partidos de ida se jugarán el 7 de marzo y los de vuelta el 14 del mismo mes. La final se disputará en Bakú (Azerbaiyán) el 29 de mayo.
Galatasaray-Benfica y Shakhtar Donetsk-Eintracht Fráncfort son otros dos partidos atractivos.
El Villarreal, que ya había ganado 1-0 en la ida, se llevó la eliminatoria al ganar 2-1 en el global de los dos encuentros.