Paco Jémez  se incorporó como nuevo técnico del Rayo Vallecano en la temporada 2012-1013, tras rescindir su contrato  con el Córdoba en junio de 2012. 

Comenzó una nueva etapa en Vallecas culminando el objetivo de que el equipo franjirrojo consiguiera jugar en Primera División de La Liga española.  Su primera experiencia en la élite fue de éxito ya que consiguió que el club se salvara del descenso y luchando en la competición europea hasta el final.  

Renovó por dos temporadas con el equipo madrileño antes de terminar la temporada en octavo puesto, lo cual fue el mejor registro de la historia del club de Vallecas. 

A pesar de todo ello, la temporada 2013-2014 fue más complicada ya que el Rayo Vallecano se encontró en puestos de descenso, recibiendo muchos goles por su apuesta ofensiva del equipo. Aun así, en la temporada 2014-2015 volvió a obtener la permanencia sin ocupar los puestos de descenso a lo largo de las jornadas. 

Pero finalmente, en la temporada 2015-2016 el Rayo Vallecano descendió a Segunda División después de luchar por permanecer en Primera División, pero tuvo una muy mala recta final de temporada donde empató con el Málaga y perdió con el Real Madrid, Atlético de Madrid y Real Sociedad, once puntos que le hicieron que no levantaran cabeza. Aunque llegaron con opciones de permanencia en la última jornada, pero dependían de los partidos del Sporting de Gijón y el Getafe. A pesar de ello sufrieron el descenso a la Segunda División. 

Fue un gran chasco y se juntó con que Paco Jémez rechazó la renovación con el Rayo Vallecano. Fuentes cercanas de Jémez confirmaron que ni el afecto que siente tras los años que ha estado en el club de Vallecas le permitió aceptar la oferta por el equipo ya que se alejaba mucho de lo establecido para continuar en la entidad vallecana. Todo ello se juntaba con el tema deportivo que ha pesado mucho en la decisión del técnico. Todo ello conllevó a que el "culebrón Jémez" llegara a su fin. 

Se refirió a un cierre de una etapa en la que el Rayo Vallecano y su afición disfrutó y sintió en estar cuatro temporadas consecutiva en la Primera División y un descenso a Segunda División en la última jornada de la Liga.  

Después de todo ello, el exentrenador hace unos días estuvo presente en el Estadio de Vallecas para disfrutar el triunfo del conjunto franjirrojo ante el Granada, ya que fue técnico también del club andaluz y fue un partido importante para él, y pasó el fin de semana en Madrid y lo primero que hizo fue ir a ver el partido, confirmando que fue muy emocionante que le llegaron muchos recuerdos de los años que vivió ahí. 

Confirmó, también, que la categoría del Rayo es de Primera y que le encantaría que ascendieran. Junto a ello, señaló que sería un placer poder volver a estar en el barrio de Vallecas y en su estadio. 

Sin duda, Paco Jémez aunque no esté en este momento dirigiendo el equipo sigue sintiendo la pasión y el sentimiento del club de Vallecas.