El argentino Germán Berterame adelantó a los suyos en el minuto 51 con un remate en el área chica.
Al 82', el brasileño Eduardo dos Santos igualó por el Pachuca al definir en el área una pelota que no despejó la defensa.
Cinco minutos después, el venezolano Salomón Rondón aprovechó un balón rechazado por el portero argentino Estaban Andrada para firmar el definitivo 1-2.
Así, el Pachuca se convirtió en el séptimo equipo clasificado para los cuartos de final y se suma a Toluca, América, Cruz Azul, Tigres, Necaxa y León.
Tras la derrota, el Monterrey tendrá una última oportunidad de clasificar la próxima semana cuando enfrente a los Pumas.
El ganador de este tercer play-in será el octavo y último clasificado a cuartos, donde se medirá al Toluca.
Por el momento hay tres series de cuartos de final definidas: América-Pachuca, Cruz Azul-León y Tigres-Necaxa.