El Rayo Vallecano Femenino, el equipo femenino del club madrileño, compite actualmente en la Segunda Federación Femenina tras un reciente declive. Fundado en el año 2000, vivió su época dorada a finales de la década de 2000, proclamándose campeón de la Copa de la Reina en 2008 y logrando tres títulos de liga consecutivos (2008-09, 2009-10 y 2010-11) bajo la dirección del entrenador Pedro Martínez Losa. Gracias a estos éxitos, participó tres veces en la Liga de Campeones Femenina de la UEFA, donde hizo historia al convertirse en el primer equipo femenino español en alcanzar los cuartos de final en 2010, tras vencer al Valur Reykjavik y sorprender al Arsenal con un 2-0 en la ida, aunque fue eliminado en la vuelta. Sin embargo, después de su última participación europea, el equipo sufrió un rápido descenso, cayendo a Primera Federación en 2022 y a Segunda Federación en 2023. Actualmente juega sus partidos como local en el Estadio N.S de la Torre, mientras su habitual Ciudad Deportiva se encuentra en obras.