Spanien ledde med 1–0 och hade dessutom chansen att avgöra på straff genom Gerard Moreno vid ställningen 1–1.
– Vi är jättebesvikna. Vi skapade chanser att vinna matchen, men vi hade inte turen på vår sida, säger spanske lagkaptenen Jordi Alba i TV4:s sändning.
En spansk seger hade gjort att Polen hade varit borta från avancemang inför mötet med Sverige på onsdag i S:t Petersburg.
Polen ropade på straff i inledningen sedan Piotr Zielinski gjorts ned av Alvaro Morata, men fick inget gehör hos domaren Daniele Orsato, Italien.
I stället sköt Morata ledningsmålet för Spanien i 25:e minuten. Men det godkändes först efter VAR-granskning.
Styrde in ledningsmålet
Gerard Moreno sköt från straffområdeslinjen och Alvaro Morata klev framför de polska backarna och styrde bollen i nät bakom polske målvakten Wojciech Szczesny.
Efter 0–0-mötet med Sverige i måndags fick spanjorerna äntligen måljubla.
Men Robert Lewandowski skulle visa sin klass efter besvikelsen i förlustmatchen mot Slovakien tidigare i veckan. I den 54:e minuten nickade den polske storstjärnan in kvitteringen.
I anfallet efter fick dock Spanien straff, efter VAR-koll, sedan Gerard Moreno blivit stämplad i straffområdet.
Han tog straffen själv – men sköt i stolpen. Morata var snabbt framme på returen, hade öppet mål, men missade.
Spanien tryckte på för ett vinstmål i slutet och var nära flera gånger vid röriga situationer i det polska straffområdet. Men det ville sig inte för ett pressat Spanien som måste vinna slutmatchen mot Slovakien i Sevilla för att gå vidare.
– Vi måste fortsätta tro på det vi gör. Det är målen som saknas, vi jobbar bra. Vi hoppas vi kan vinna den tredje matchen, gör vi det så går vi vidare, säger Jordi Alba.
Avgörandet i egna händer
Sverige leder gruppen inför sista omgången på fyra poäng, därefter följer Slovakien på tre, Spanien på två och Polen på en poäng.
Samtliga fyra lag kan gå vidare, men Sverige kan inte bli sämre än trea i gruppen.
En seger för Sverige i gruppavslutningen mot Polen i S:t Petersburg ger blågul gruppseger och en svensk poäng säkrar avancemang och minst en andra plats i gruppen.
Sverige kan också gå vidare vid en förlust som en av de fyra (av sex) bästa treorna, men det beror på resultaten i de andra grupperna.