O Valencia já havia vencido por 4 a 0 na ida e tinha missão bem mais tranquila, enquanto o Atlético só havia empatada em casa em 1 a 1 e precisava correr atrás do resultado.
Os 'colchoneros', líderes do Campeonato Espanhol, não se deixaram surpreender novamente pelos vizinhos do Rayo, 18º colocados na Liga Espanhola.
O argentino Ángel Correa abriu o placar para o Atlético aos 40 minutos de jogo com um golaço, num forte chute depois de receber bom passe do belga Yannick Ferreira-Carrasco.
O Rayo estava a um gol de forçar a prorrogação, mas o Atlético sentenciou o duelo no segundo tempo. Aos 35 minutos, após cobrança de escanteio desviada pelo zagueiro uruguaio Diego Godín, o francês Antoine Griezmann dominou no peito e chutou de direita no contrapé do goleiro.
Para selar a vitória do Atlético, Griezmann marcou seu segundo gol na partida nos acréscimos, aproveitando ótimo lançamento para driblar o goleiro do Rayo e balançar as redes sem dificuldades.
Já o Valencia se classificou com uma vitória por 3 a 0 fora de casa sobre o Granada, com gols do francês Wilfried Zahibo, Paco Alcácer e o argentino Pablo Piatti.
-- Resultados das partidas de volta das oitavas de final da Copa do Rei:
- Terça-feira:
Deportivo La Coruña - (+) Mirandés (2ª), 0-3 (ida: 1-1)
(+) Sevilla - Betis, 4-0 (ida: 2-0)
- Quarta-feira:
Villarreal - (+) Athletic Bilbao 0-1 (ida: 2-3)
(+) Celta Vigo - Cádiz (3ª) 2-0 (ida: 3-0)
Espanyol - (+) Barcelona 0-2, ida: 1-4
(+) Las Palmas - Eibar 3-2 (ida: 3-2)
- Quinta-feira:
Granada - (+) Valencia 0-3 (ida: 0-4)
(+) Atlético de Madri - Rayo Vallecano 3-0 (ida: 1-1)
(+) Clasificados às quartas de final