Dopo le consuete amichevoli estive pre-stagionali, la stagione ufficiale del Villarreal inizia con l'impegno nei play-off di UEFA Champions League contro l'Odense: la squadra del Submarino Amarillo, dopo una sconfitta all'andata (1-0) nella trasferta in Danimarca e una rimonta casalinga (3-0) si qualifica alla fase a gironi dove incontrerà Napoli, Manchester City e Bayern Monaco. Gli spagnoli vengono eliminati dalla competizione come ultimi nel Gruppo A, avendo ottenuto il deludente bilancio di 6 sconfitte su 6 partite disputate, con 14 reti subite e appena 2 gol fatti.
Il Villarreal chiude il campionato al 18º posto, retrocedendo quindi in seconda divisione.
In Coppa del Re viene subito eliminato all'esordio nei sedicesimi di finale da una squadra di terza divisione, il Mirandés, grazie a un pareggio esterno (1-1) e una sconfitta interna (0-2).
Per la stagione 2011-2012, il nuovo sponsor tecnico del club spagnolo, dopo 6 anni con la società tedesca Puma, sarà il marchio cinese Xtep su una prima maglia completamente gialla, come richiesto dai vertici del club, in modo da non snaturare il colore, simbolo distintivo della squadra.