El mexicano deja la Real tras completar su séptima temporada en el conjunto blanquiazul, antes de partir a la MLS donde continuará su andadura futbolística. En todo este tiempo, los aficionados de la Real Sociedad se han llevado una de cal y otra de arena en lo que a su rendimiento se refiere: Vela ha pasado de ofrecer en San Sebastián los que probablemente han sido los mejores años de su carrera deportiva, a ofrecer un rendimiento más bien pobre que no se corresponde a la clase de un jugador como el del azteca.
En todo momento, Vela mostró su disposición a continuar en el conjunto donostiarra, si bien los cantos de sirena en torno a una posible marcha del club siempre han estado presentes. El mexicano llegó por una temporada, para tratar de ayudar a cumplir los objetivos de un equipo que trataba de adaptarse a la Primera División, y se marcha como uno de los jugadores emblemas del club, uno de los mayores ídolos de la afición de esta Real contemporánea, uno de los extranjeros más exitosos de la historia del club. Una auténtica leyenda.
| Temporada | Equipo | PJ | G | A |
| 2011-2012 | Real Sociedad | 37 | 12 | 7 |
| 2012-2013 | Real Sociedad | 37 | 14 | 11 |
| 2013-2014 | Real Sociedad | 52 | 21 | 13 |
| 2014-2015 | Real Sociedad | 31 | 10 | 4 |
| 2015-2016 | Real Sociedad | 36 | 5 | 4 |
| 2016-2017 | Real Sociedad | 39 | 10 | 5 |
| 2017-2018 | Real Sociedad | 17 | 1 | 0 |
Los diez tantos que logró en la segunda vuelta de la campaña 2011-2012 sirvieron para que el equipo diera un salto de calidad, sin pasar demasiadas penurias en torno a un posible descenso, a pesar de que el equipo coqueteara con los puestos de abajo en las primeras semanas del campeonato. Llegados a marzo, el equipo tenía la permanencia cada vez más cerca, si bien no se consumó hasta la jornada 36.
Un año después, sus 14 goles y 11 asistencias servirían para que la Real lograse la clasificación para jugar en competiciones europeas diez años después. El equipo logró un histórico cuarto puesto, con el que se ganó el derecho de disputar la previa de acceso a la Champions League. Junto con Griezmann, formó uno de los mejores tándems que se ha visto jamás en San Sebastián, y es que entre ambos lograron anotar 24 dianas.
El año europeo se vio penalizado en los resultados del campeonato liguero, si bien el equipo logró el séptimo puesto y por ende, la clasificación para disputar dos rondas previas de la Europa League. Vela logró su mejor registro goleador con la Real, anotando 21 dianas entre todas las competiciones. Una vez más, formo una pareja goleadora extraordinaria con su amigo Antoine Griezmann, quien anotó 20 goles. 41 goles para una pareja de oro que ya no forma parte del conjunto donostiarra.
Formó una pareja muy exitosa con Griezmann
La marcha de Griezmann ese mismo verano y un mal comienzo de temporada en el que la Real quedó apeada de Europa y en los puestos de abajo no ayudaron al despliegue de la mejor versión del mexicano, que no logró encadenar buenas actuaciones ni con Jagoba Arrasate ni con su sucesor en el banquillo, David Moyes. A pesar de ello, el mexicano anotó 15 dianas entre las temporadas 2014-2015 y 2015-2016.
Con Eusebio comenzando la temporada en el banquillo, la Real volvió a lograr plaza europea cuatro campañas después, y a pesar de que Vela no logró alcanzar su mejor nivel, contribuyó a la clasificación europea anotando 10 tantos y repartiendo cuatro asistencias. Su última temporada se saldó con menos encuentros como titular que nunca en su trayectoria en la Real, anotando su único gol de la temporada en el último minuto de su último encuentro como jugador txuri-urdin ante el Sevilla. El mexicano ha anotado gol en cada una de las temporadas en las que ha militado como blanquiazul.
Carlos Vela ha vestido la camiseta de la Real Sociedad en un total de 250 ocasiones, en los que ha anotado 73 goles y ha repartido 45 asistencias, lo que lo convierte en uno de los jugadores con mejores registros goleadores de la Real Sociedad en lo que va de siglo.