Su primer doblete en la UEFA Champions League ocurre el 15 de septiembre de 2010, cuando al enfrentar en casa al SC Braga portugués en el primer partido de la fase de grupos, Carlos Vela ingresa al campo en el minuto 62 y convierte su primer gol de la noche al 70 definiendo por arriba del arquero a pase de Andrei Arshavin. A pesar de la salida del arquero del equipo portugués, Carlos Vela define con tranquilidad pasmosa a primer poste, anotando así el sexto y último gol de la noche (Arsenal 6-0 SC Braga). Vela llegaría a la cifra de los 10 goles, tras marcar ante el Levante UD de penalti en el empate a un gol de ambos equipos. El día 1 de junio de 2013, Vela y su Real consiguen una histórica clasificación para la Copa de Europa tras ganar al RC Deportivo de La Coruña, cuajando este su mejor temporada como profesional, dónde anotó 14 goles, siendo el máximo goleador del equipo junto con Agirretxe.
Logró jugar 32 partidos oficiales con ese mismo club logrando 3 goles, donde se desarrolló como mediocampista por izquierda la mayor parte de la temporada. Vela anotó el primer tanto de la Real Sociedad en el Coliseum Alfonso Pérez ante el Getafe CF, que sin embargo no sirvió de mucho, ya que los txuri-urdin perdieron por 2-1, y se cortó una racha de 15 partidos sin perder. Vela no pudo comenzar la pretemporada con sus compañeros debido a una fascitis plantar que le mantuvo alejado más de un mes de los terrenos de juego, camiseta osasuna 2023 reapareciendo finalmente a finales de agosto en el partido de ida de la última fase previa de la Copa de la UEFA ante el FC Krasnodar. El 4 de diciembre «El Bombardero» contribuye a la victoria de la Real con un gol de chilena al minuto 89′ que dio el empate a su equipo frente al Málaga CF, minutos después el uruguayo Diego Ifrán anotó otro tanto que permitió a la Real Sociedad ganar por 3-2 su segundo partido consecutivo. Su último y quinto gol lo marcó en la final ante Brasil en el minuto 31 el cual abrió el marcador 1-0. Se coronó campeón del mundo en 2005, en la Copa Mundial de Fútbol Sub-17 de 2005 celebrada en Perú.
El joven futbolista se coronó campeón y solo marcó un gol en el encuentro durante el Sevilla FC. Guillermo Ochoa. Una semana después volvería a anotar un tanto de vital importancia en un empate a un gol ante el Sevilla en el Sánchez Pizjuán. El 20 de diciembre vuelve a anotar el primer tanto en la victoria de la Real 2-1 ante el Sevilla FC, tras una bonita jugada entre él, Xabi Prieto y Antoine Griezmann. Tras una sequía de un más mes sin marcar, Vela anota el primer tanto en la goleada 4-2 al Málaga CF, mejorando su registro de 12 goles de la pasada campaña. En el plano individual, Vela recuperó su gran versión, aunque todavía lejos de aquella pasada de hace tres o cuatro años. Comienza la temporada como titular indiscutible, aunque sin ofrecer ni mucho menos su mejor versión, y con constantes rumores sobre su posible marcha a la MLS de Estados Unidos para el mercado de invierno.
Se despide de la temporada con un gol ante el Rayo Vallecano en la victoria a domicilio por 2-4. Pese a la lesión que le tuvo 2 meses fuera, acabó un año más como máximo goleador del equipo con 9 dianas. El lunes 19 de noviembre, en encuentro frente al Rayo Vallecano, el jugador mexicano marcó el primer gol tras una trenzada conexión entre Xabi Prieto e Ifrán en el minuto 31, e instantes después con un soberbio zurdazo estableció el 2-0. La victoria final por 4-0 hizo que Anoeta despidiera puesto en pie a los realistas. El sábado 19 de abril anota un gol en el último minuto que le sirve a su equipo para conseguir la victoria por 2-1 ante el RCD Español tras una gran jugada personal. Vela contribuyó con una asistencia con el marcador final 6-0, duelo en que logró concretar una de las mejores anotaciones en la historia del Arsenal Football Club. En el conjunto charro se hace rápidamente con un puesto de titular, anotando ocho goles en 31 partidos y formando junto a Braulio una de las parejas más realizadoras de la historia reciente del club.
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