Ngày 17 tháng 12 năm 2010, UEFA đã tổ chức bốc thăm chia các cặp đấu loại trực tiếp tại Nyon, Thụy Sĩ[2]. Theo thể thức của vòng 16 đội, 8 đội đứng đầu sẽ đá tại sân của những đội đứng thứ nhì và đội đứng đầu mỗi bảng sẽ đá ở sân nhà tại trận lượt về. Các đội cùng quốc gia hoặc cùng bảng sẽ không được gặp nhau. Chỉ có một trận duy nhất sau vòng 1/8 phân cặp cho các vòng đấu tiếp theo. Theo thể thức này, các đội cùng bảng hoặc cùng quốc gia chỉ có thể gặp nhau tại trận chung kết.
Lượt đi của vòng đấu này sẽ diễn ra vào các ngày 15, 16, 22 và 23 tháng 2, còn lượt về sẽ diễn ra vào các ngày 8, 9, 15 và 16 tháng 3 năm 2011. Từ khi bắt đầu tới khi hết tháng 3 sẽ được tính theo CET (UTC+1), sau đó thời gian lại được tính theo CEST (UTC+2).
Việc phân cặp cho các câu lạc bộ tại vòng 16 đội đã diễn ra ngày 17 tháng 12 năm 2010. Các trận đấu lượt đi đã diễn ra ngày 15, 16, 22 và 23 tháng 2, và các trận đấu lượt về đã diễn ra ngày 8, 9, 15 và 16 tháng 3 năm 2011.
Lễ bốc thăm phân cặp đã diễn ra ngày 18 tháng 3 năm 2011 tại Nyon. Trận lượt đi đã diễn ra ngày 5 và 6 tháng 4, và trận lượt về đã diễn ra ngày 12 và 13 tháng 4 năm 2011.
Theo thể thức bốc thăm, những đội cùng quốc gia vẫn có thể gặp nhau tại vòng đấu này.