Selain itu, undian ini juga kembali mempertemukan Arsenal dengan Barcelona. Kedua tim ini pernah bertemu di final 2006.
Babak 16 besar akan menggunakan sistem pertandingan kandang-tandang. Leg pertama akan digelar pada 15, 16, 22, dan 23 Februari 2011 dan leg kedua pada 8,9, 15, dan 16 Maret 2011 mendatang.
Berikut adalah hasil lengkap undian babak 16 besar tersebut :
| TEAM-A | VERSUS | TEAM-B |
| AS Roma | vs | Shakhtar Donetsk |
| AC Milan | vs | Tottenham Hotspur |
| Valencia CF | vs | Schalke 04 |
| Inter Milan | vs | Bayern Muenchen |
| Olympique Lyon | vs | Real Madrid |
| Arsenal | vs | Barcelona |
| Olympique Marseille | vs | Manchester United |
| FC Kopenhagen | vs | Chelsea |
