Andoni Iraola berpisah dengan CD Mirandes pada akhir 2019/2020 karena kontraknya habis. Namun, Iraola bertahan di Segunda Division pada 2020/2021 dengan melatih Rayo Vallecano. Kali ini, Iraola berhasil membawa klub yang diasuhnya promosi ke LaLiga. Mereka berakhir di posisi keenam pada musim reguler dan mengalahkan CD Leganes (5-1) serta Girona (3-2) saat menjalani play-off.
Pada musim debutnya di LaLiga, Iraola membuat Rayo Vallecano berakhir di posisi 12. Dalam perjalanannya, ia mampu mengalahkan Barcelona dua kali dengan skor 1-0. Tak hanya di liga domestik, Iraola dan Rayo Vallecano juga sukses mencuri perhatian di Copa del Rey. Pasalnya, mereka berhasil lolos sampai semifinal sebelum kalah dari Real Betis dengan agregat 2-3. Bagi Rayo Vallecano, ini merupkan semifinal Copa del Rey kedua sejak klub terbentuk pada 1924. Mereka merasakannya untuk pertama kali pada 1981/1982.
Iraola tetap melatih Rayo Vallecano pada 2022/2023. Mereka kembali berakhir di posisi ke-12 di LaLiga. Hebatnya, Rayo Vallecano masih tidak terkalahkan saat bertemu Barcelona. Mereka imbang tanpa gol ketika bertandang ke Camp Nou pada pekan pembuka dan menang 2-1 ketika bermain di kandang pada pertemuan kedua. Selain itu, Iraola dan Rayo Vallecano juga berhasil mengalahkan Real Madrid secara comeback dengan skor 3-2 ketika menjamu sang juara bertahan pada pekan ke-32.
Pada pertengahan 2022/2023, Andoni Iraola sebetulnya sempat mendapat tawaran dari Leeds United. Namun, Rayo Vallecano enggan untuk melepasnya. Iraola lantas menolak untuk memperpanjang kontrak setelah musim selesai. Ia akhirnya berlabuh di Premier League dengan melatih AFC Bournemouth mulai 2023/2024. Tiga musim berjalan, Iraola terbukti berhasil menghadirkan progres bagi AFC Bournemouth seperti yang sudah ia tunjukkan bersama AEK Larnaca, CD Mirandes, dan Rayo Vallecano.