Segern var Real Madrids fjärde på de senaste fem matcherna.
Barcelona hade inför matchen tio matcher i rad utan förlust.
Ilkay Gundogan nätade för hemmalaget, medan Jude Bellingham blev tvåmålsskytt för gästerna.
Det här var Real Madrids fjärde uddamålsseger.
I nästa omgång har Barcelona Real Sociedad borta på Reale Arena, lördag 4 november 21.00. Real Madrid spelar hemma mot Rayo Vallecano söndag 5 november 21.00.