Les 'Merengues' ont à peine rassuré l'exigeant public du Santiago Bernabéu, trois jours après y avoir sombré en Ligue des Champions face au CSKA Moscou.
Dominateurs, les hommes de Santiago Solari ont rapidement ouvert le score d'un tir croisé de Karim Benzema, servi par Lucas Vazquez. Un service minimum sanctionné par des sifflets en fin de match, d'autant que le Rayo a raté une balle d'égalisation dans le temps additionnel.
La facture aurait pourtant pu être plus salée: Marco Asensio a perdu un duel (16e) avec le gardien, Toni Kroos a trouvé le poteau (35e) et Sergio Ramos était signalé légèrement hors-jeu après avoir expédié dans la cage un coup franc de l'Allemand (64e).
Le club de Vallecas, privé de plusieurs de ses cadres pour ce match, reste avant-dernier avec 10 points.
Le Real était au contraire au grand complet, l'occasion pour son Ballon d'Or Luka Modric de présenter le trophée aux supporters, qui lui ont réservé une ovation debout.
Les 'Merengues' remontent momentanément à la troisième place et à un point des co-leaders, et peuvent maintenant partir sans trop de doutes pour le Mondial des clubs aux Emirats arabes unis, où ils affrontent mercredi les Japonais de Kashima Antlers en demi-finale.
Dimanche, Séville aura l'occasion de repasser devant le Real et de rejoindre l'Atlético en recevant Gérone au stade Sanchez Pizjuan à 12h00.