El 12 de agosto de 2013 muere Marcelino Gil Blázquez, máximo mandatario del Rayo Vallecano que ascendió a Primera División por primera vez en la Historia (sin perder ningún partido en casa) y que fuera bautizado como Matagigantes gracias a una excepcional siguiente temporada en la máxima categoría del fútbol español, venciendo en Vallecas a Real Madrid, F. C. Barcelona, Atlético de Madrid, Valencia C. F., camisetasfut Athletic Club y Sevilla. La temporada 2017-18 sería histórica para el Rayo, al proclamarse campeón de Segunda División por vez primera, gracias a los grandes fichajes del nuevo director técnico, exjugador del Club, David Cobeño. A su vuelta a la división de plata, el Rayo fue entrenado por José Ramón Sandoval hasta la jornada 13 y por Rubén Baraja hasta la 26. Ambos dejaron al equipo en decimosexta posición a un punto del descenso. Esa misma semana, en la jornada 32, el partido en Vallecas frente al C. A. Osasuna dejó la mayor goleada del Rayo en Primera (6-0). El Rayo se salvó del descenso en la última jornada contra el Granada, gracias a un gol de Raúl Tamudo en el tiempo de descuento.
Pero aun así en el último partido la afición de Vallecas demostró que en las buenas y en las malas siempre estará con su equipo, despidiéndole sin un solo abucheo. El 21 de noviembre es desahuciada en Vallecas Doña Carmen, de 85 años, quien llevaba más de 50 viviendo en su casa. El 10 de noviembre de 2015 el Rayo Vallecano oficializa la compra de la franquicia de Oklahoma City FC y nace el Rayo Oklahoma City. 6 de noviembre de 2018). «La UEFA estudia la Superliga en Ginebra». Finalmente se contrató a Míchel que, en las últimas 16 jornadas, subió al conjunto a la duodécima plaza, salvándolo por un margen de cinco puntos. La armadora Yorelí Rincón confirmó su estatus de líder futbolístico de las Cafeteras, ya que, además de manejar los hilos del equipo desde hace un tiempo, fue su máxima artillera en el clasificatorio con tres tantos. Como en año anteriores el mercado estival se convierte en un rompecabezas para la secretaría técnica del club para la formación de un nuevo equipo tras las bajas varios pilares del equipo como Joaquín Larrivey, José Carlos Fernández Vázquez, Alejandro Gálvez, Razvan Rat, camisetas de futbol bartas Rubén Martínez o Anaitz Arbilla y la vuelta a sus equipos correspondientes tras su periodo de cesión de Rubén Rochina y Iago Falque.
Temporada 2009-10. Llega al club Rubén Castro, del Huesca y José María Movilla, del Murcia, club al que es traspasado Miguel Ángel Albiol. En la temporada 2010-11, abandona el club Rubén Castro, al Betis y llega Delibasic, del Hércules. También se marchan grandes jugadores como Jordi Figueras al Real Betis Balompié, Delibasic, Jordi Amat recala en las filas del Swansea City de Michu. El 26 de julio de 2004, el exseleccionado Jürgen Klinsmann regresó a Alemania para ocupar su nuevo puesto de entrenador del equipo nacional de Alemania, sucediendo a su antiguo compañero de equipo y atacante Rudi Völler. El 25 de mayo de 2012 el club anuncia la no renovación del entrenador José Ramón Sandoval, pese haber cumplido con el objetivo de la permanencia. El día 22 de mayo de 2011 logran matemáticamente el ascenso a Primera división ganando 3-0 al Xerez. El equipo dirigido por Sandoval volvería a jugar la máxima categoría del fútbol español 8 años después, siendo el sexto ascenso de su historia a la Primera División y tras llevar la plantilla a varios meses sin cobrar.
En esta temporada debutó con el Rayo Fran Beltrán, promesa del fútbol español que se convierte en uno de los jugadores más importantes del Rayo. Esta cinta que lo cruza de abajo arriba y de izquierda a derecha formando un ángulo de cuarenta y cinco grados, divide al escudo en dos cuarteles: en el cuartel superior-izquierdo reproduce un grabado del Castillo de Gibralfaro, la ciudad de Málaga sobre la bahía tal y como aparece en el escudo municipal (unas peñas cimadas de una villa acompañada de un puerto en lo bajo) en referencia a la ciudad donde está establecido el club; en el cuartel inferior-derecho aparece un campo azul cruzado por cinco barras verticales blancas en referencia a los colores de uniforme titular del equipo (azul, predominante en pantalón y camiseta, y franjas verticales azul y blanco en la camiseta). Los «Mad-Boyz Leverkusen» se fundaron en 1994 como una de las primeras peñas ultra de Alemania. Tras un mal comienzo de la temporada, el equipo consigue una histórica segunda vuelta, ganando cinco partidos en Vallecas y salvándose un mes antes del final de la temporada con grandes actuaciones de Joaquín Larrivey y Alberto Bueno. La movilización, integración y apoyo a los jugadores por parte de la afición y del barrio de Vallecas es innegable en este periodo: pañoladas y tarjetas rojas durante los partidos, pancartas de protesta, se arrancan las letras de Teresa Rivero del estadio, se convoca una manifestación (12 de marzo de 2011) desde el Puente de Vallecas hasta el estadio con el lema «87 años de historia merecen más respeto», y se monta una cadena humana alrededor del estadio previo al partido frente al Granada.