Do startu w fazie grupowej uprawnione były 32 drużyny (w tym 10 zwycięzców rundy play-off). Losowanie odbyło się 26 sierpnia 2010 (godz. 18:00). W jego trakcie zespoły zostały rozdzielone na 4 koszyki, następnie rozlosowane i podzielone na 8 grup po 4 drużyny każda. Do jednej grupy nie mogły trafić drużyny z tego samego koszyka i federacji.
Wszystkie zespoły zagrały ze sobą dwukrotnie – po 2 najlepsze z każdej grupy awansowały do fazy pucharowej, drużyny z 3. miejsc otrzymały prawo gry w 1/16 finału Ligi Europy UEFA.
Drużyny które awansowały z rundy play-off
Koszyk 1 Drużyna Współcz. Drużyna Współcz. Inter Mediolan 100,867 Arsenal 115,371 FC Barcelona 136,951 Bayern Monachium 110,841 Manchester United 125,371 Milan 99,867 Chelsea 118,371 Olympique Lyon 96,748
Koszyk 2 Drużyna Współcz. Drużyna Współcz. Werder Brema 94,841 SL Benfica 72,659 Real Madryt 84,951 Valencia CF 66,951 Roma 83,867 Olympique Marsylia 62,748 Szachtar Donieck 73,910 Panathinaikos AO 56,979
Koszyk 3 Drużyna Współcz. Drużyna Współcz. Tottenham Hotspur 56,371 FC Basel 48,675 Rangers 56,158 SC Braga 39,659 Ajax 55,309 FC Kopenhaga 34,470 FC Schalke 04 54,841 Spartak Moskwa 33,758