Valencia ledde med 2-0 efter mål av Paco Alcacer och Javi Fuego när Real fick straff i slutet av första halvlek. Cristiano Ronaldo sköt en svag straffspark som Valencias målvakt enkelt räddade.
I 56:e minuten prickade Pepe in 1-2 med en kraftfull nick. I 84:e minuten skruvade Isco elegant in 2-2 i krysset. Real Madrid pressade i slutskedet, men även Valencia hade chanser att göra 3-2.
Trots det minst sagt prekära läget i kampen om att vinna ligan vägrar Real Madrid-tränaren Carlo Ancelotti att ge upp.
– Det ser svårare ut för oss nu, men vi kommer att fortsätta. Det är två matcher kvar, och vi måste försöka vinna båda.
Kroos lårskadad
På onsdag spelar Real Madrid Champions League-retur hemma mot Juventus. Huvudstadslaget kan få klara sig utan mittfältaren Toni Kroos, som haltade av planen i mitten av första halvlek. Det såg ut som om det handlade om en lårskada. Tysken kommer att undersökas under söndagen.