13 maja 2012 Villarreal po przegranej u siebie z Atlético Madryt, po 12 latach gry na najwyższym poziomie rozgrywkowym, spadł do Segunda División. Po roku spędzonym w 2. lidze, w czerwcu 2013 zajmując drugie miejsce w tabeli Villarreal powrócił do Primera División.
W sezonie 2013/14 klub zajął 6. miejsce, co pozwoliło mu wziąć udział w rundzie play-off Ligi Europy 2014/15. W dwumeczu z FK Astana padł wynik 7:0, co dało awans do Ligi Europy. W grupie trafili na Apollon Limassol, FC Zürich oraz Borussię Mönchengladbach. W grupie zdobyli 11 punktów, zajmując 2. miejsce, które dały im awans do 1/16 finału. Tam zespół trafił na FC Salzburg. W meczu na Camp El Madrigal padł wynik 2:1 dla Villarrealu. W Salzburgu zespół wygrał 3:1 i awansował do 1/8 finału. Tam Villarreal trafił na swojego krajowego rywala, Sevillę FC. Na El Madrigal padł wynik 3:1 dla Sevilli. Na wyjeździe zespół zagrał niewiele lepiej i przegrał 2:1, tym samym odpadając z Ligi Europy. W sezonie 2014/15 klub zajął szóste miejsce w lidze hiszpańskiej, mimo dużej ilości kontuzjowanych graczy i słabych wyników pod koniec sezonu. 6. miejsce premiowało awansem do 3. rundy kwalifikacyjnej LE, ale w związku z wygraniem przez Sevillę Ligi Europy i grę w następnym sezonie w Lidze Mistrzów, Villarreal został przeniesiony do fazy grupowej.