El miércoles 28 de agosto 2013 marco dos goles en una estupenda actuación en Anoeta frente al conjunto del Olympique de Lyon, que le dio el derecho a la Real Sociedad de acceder a la fase de grupos de la Champions League Tras unos partidos malos de Vela y de la Real, el 2 de octubre de 2013 en el segundo partido de la fase de grupos de la Champions League, Carlos Vela logra el tanto del empate tras coger el rechace del penalti que el mismo había fallado, en partido jugado en el BayArena en contra del Bayer Leverkusen, sin embargo, el equipo vasco acabaría perdiendo por 2-1 con un gol de los alemanes en el tiempo de descuento.