Tim tamu sempat unggul lewat gol Robert Lewandowski, sebelum Samuel Chukwueze mencetak gol penyeimbang bagi Villarreal.
Bayern langsung tancap gas sejak awal pertandingan demi mengejar ketertinggalan agregat 0-1 dari leg pertama di El Madrigal.
Baca juga: Madrid melaju ke semifinal Liga Champions, menang agreget 5-4 atas Chelsea
Baca juga: Stadion Atletico harus dikosongkan sebagian saat jamu Man City
Tim tuan rumah mengancam pada menit ke-19 lewat tembakan Jamal Musiala di kotak penalti Villarreal, namun sayang bola masih melebar dari gawang.
Musiala kembali mendapat peluang emas lewat tandukannya 10 menit kemudian, tetapi arah bola masih mengarah tepat ke pelukan kiper Geronimo Rulli.
Villarreal balik menyerang pada menit ke-41 lewat bola sepakan Arnaut Danjuma. Namun, sang pemain sudah terlebih dahulu berada dalam posisi offside.
Sementara Bayern terus berupaya mencetak gol sebelum turun minum, tetapi upaya mereka belum membuahkan hasil dan babak pertama ditutup tanpa gol.
Tim tuan rumah tidak mengendurkan serangan memasuki babak kedua. Bola tembakan Dayot Upamecano pada menit ke-49 masih melayang di atas mistar.
Gol yang ditunggu-tunggu Bayern tiba pada menit ke-51 ketika Robert Lewandowski mencatatkan namanya di papan skor setelah menyelesaikan umpan pendek dari Thomas Mueller.
Bayern terus menggempur lini belakang Villarreal demi mendapat gol kedua, tapi bola sundulan Mueller pada menit ke-70 belum menemui sasaran.
Villarreal mendapat kans pada menit ke-81, namun bola tembakan mendatar Danjauma masih menyamping dari gawang Manuel Neuer.
The Yellow Submarine baru dapat menyamakan kedudukan tiga menit sebelum waktu normal habis ketika pemain pengganti, Samuel Chukwueze mencetak gol tap-in setelah memaksimalkan umpan tarik Gerard Moreno.
Bayern berusaha mencetak gol kedua di sisa waktu yang ada, sementara Villarreal bertahan total menjaga skor 1-1 hingga peluit panjang demi melaju ke semifinal dengan bekal keunggulan agregat 2-1.
Susunan Pemain:
Bayern Muenchen (3-2-4-1): Manuel Neuer; Benjamin Pavard, Dayot Upamecano, Lucas Hernandez; Leroy Sane, Leon Goretzka, Joshua Kimmich, Kingsley Coman; Thomas Mueller, Jamal Musiala, Robert Lewandowski.
Villarreal (4-4-2): Geronimo Rulli; Pervis Estupinan, Pau Torres, Raul Albiol, Juan Foyth; Francis Coquelin, Daniel Parejo, Etienne Capoue; Arnaut Danjuma, Gerard Moreno, Giovani Lo Celso.