Den 24. august 2011 annonserte Atlético Madrid på sine nettsider at Pacheco hadde kommet til klubben på utlån fra Liverpool for 2011–12-sesongen, men at han umiddelbart ville bli lånt videre til Rayo Vallecano for hele perioden. Det ble også bekreftet at Atlético hadde en opsjon på kjøp av Pacheco ved slutten av sesongen Pacheco debuterte for Rayo Vallecano som innbytter i det 84. minutt i en 0–1 mot Getafe den 18. september 2011. På sitt utlån til Rayo Vallecano i La Liga 2011-12, endte Pacheco med 11 seriekamper uten noe mål, mens Rayo Vallecano endte sesongen på 15.-plass og beholdt plassen.