Madrid hatte das deutsche Team Borussia Mönchengladbach bis zur 87. Minute mit 2: 0 hinter sich gelassen, bevor die Gäste einen späten Anstieg verzeichneten, um einer Demütigung und einer vierten Niederlage in Folge im Wettbewerb zu entgehen.
Der Talisman-Stürmer Karim Benzema zog sich mit einem akrobatischen Finish für seine Mannschaft zurück, bevor der Brasilianer Casemiro in der Nachspielzeit auf das Dach des Netzes schoss, um das 2: 2 zu erzielen.
Die beiden späten Tore hoben Marcus Thurams Doppel für Mönchengladbach auf, das am Boden zerstört sein wird, um keinen berühmten Sieg gegen seine starken Gegner zu erringen.
"Wir dachten nicht, dass es ein Drama werden würde. Die Mannschaft hat Reaktionen gezeigt", sagte Madrids Chef Zinedine Zidane nach dem Spiel.
"Es ist ein wichtiger Punkt. Wir wissen, dass wir durch dieses Spiel die Dinge erledigen können, die Spieler haben bis zum Ende gekämpft. Es wird ein schwieriges Jahr für uns alle, aber heute müssen wir stolz sein."
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Es sah so aus, als würde Real Madrid in der europäischen Saison eine weitere Niederlage hinnehmen, nachdem Shakhtar Donetsk letzte Woche mit 3: 2 geschlagen hatte.
Das jüngste Ergebnis wird jedoch dazu beitragen, die Risse in einem von Zidanes Seite uneinheitlichen Saisonstart zu überwinden.
Madrid hat sich in dieser Saison von einer erniedrigenden Niederlage gegen den neu beförderten Cadiz gegen den starken Rivalen Barcelona in der La Liga geschlagen und war für einen Großteil des Spiels am Dienstag der zweitbeste.
Erst nach Benzemas Overhead-Finish schien ein Comeback wahrscheinlich.
Das Tor löste ein hektisches Ende des Spiels aus, bei dem die Gastgeber an einem Faden festhielten. So wie es schien, als hätte es genug getan, um sich festzuhalten, war Casemiro zur richtigen Zeit am richtigen Ort, um deutsche Herzen zu brechen.
Mönchengladbach hatte die Chance, das Spiel mit 2: 0 zu beenden, wird aber die verpassten Chancen ruinieren.
Alassane Plea hatte die besten Chancen, aber sein Versuch wurde von Madrids Torhüter Thibaut Courtois vereitelt.
"Wenn man zwei späte Tore kassiert und die Punkte fallen lässt, ist das kein gutes Gefühl", sagte Mönchengladbachs Trainer Marco Rose.
"Es kam auf die Qualität von Real an. Wir wollten bis zum Ende besser verteidigen, aber manchmal braucht man ein bisschen Glück und das hatten wir heute Abend nicht."