Real Madrid balancerede på kanten af et kostbart pointtab i den spanske liga, da Valencia var tæt på at snuppe point på Bernabeu.
Men med fem minutter igen scorede Marcelo til 2-1 og sikrede sejren, efter at Cristiano Ronaldo både havde scoret og brændt straffespark.
Sociedad sender Granada og Tony Adams ud af La Liga
Dermed rykker hovedstadsklubben tre point foran FC Barcelona i tabellen. Begge har spillet 34 kampe, inden Barcelona senere lørdag spiller mod Espanyol.
Selv om Real Madrid i kampens indledning var mest på bolden, så havde Valencia held til et par gange at skabe store chancer mod et lidt vaklende hjemmeforsvar.
Afslutningerne manglede dog kvalitet, og i stedet kunne Cristiano Ronaldo med netop en kvalitetsafslutning efter 27 minutter udnytte en af Real Madrids chancer. Samtidig skrev han europæisk fodboldhistorie, da han blev den første, der har scoret 367 i Europas seks største ligaer. Portugiseren er dermed noteret for et mål mere end Tottenham-legenden Jimmy Greaves.
Portugiseren tog et godt løb i feltet, og han headede flot et indlæg i kassen.
Det kunne godt være blevet til flere mål før pausen, men ingen af mandskaberne var effektive omkring felterne.
I anden halvleg kom hjemmeholdet godt ud, og Real Madrid satte sig tungt på kampen.
Valencia havde ikke bolden ret meget, og efter ti minutter sendte Karim Benzema en stor chance på stolpen.
Kort efter begik Dani Parejo så et dumt straffespark på Luka Modric, men Valencia-keeper Diego Alves er blandt verdens absolut dygtigste til at stoppe forsøgene fra 11-meter-pletten.
Og det gjorde han minsandten igen. Ronaldos forsøg var ikke yderligt nok, og så kunne Alves forhindre 2-0-scoringen.
Det gav en spændende halv time, hvor Valencia kom ind i kampen igen, og små ti minutter før tid hamrede Dani Parejo et flot frispark helt op i hjørnet.
Det satte voldsomt pres på Real Madrid, og tre minutter senere blev venstrebacken Marcelo helten, da han driblede ind i feltet og flot sparkede 2-1-målet ind med højrebenet.
Den scoring sørgede for, at Real Madrid stadig har råd til en enkelt uafgjort kamp i de sidste fire spillerunder, hvis mesterskabet skal i hus.
Tidligere lørdag blev det slået fast, at Granada rykker ud af Primera Division.
Efter et nederlag på 1-2 til Real Sociedad kan Tony Adams' tropper ikke længere nå op på den rigtige side af nedrykningsstregen.
Se alle målene fra kampen her:
Åh, nej! Skadet Barça-stjerne misser lokalderby
Efter bizar Barcelona-klage: 'De ser spøgelser over alt!'
Barcelona indgiver klage: Frygter mesterskabs-skandale
Mølby: Dele Alli kan nå hele vejen til toppen
Her bliver Ronaldo historisk:
