Trots att AIK fick en drömstart genom Mohamed Banguras 1-0-mål är Europa-äventyret över.
Levski Sofia vände på två minuter i den andra halvleken, men det avgörande målet kom när flera AIK-spelare trodde att bollen var över linjen.
AIK kunde inte ha fått en bättre start på det tuffa bortamötet med Levski Sofia.
I den elfte minuten slog Kenny Pavey ett inlägg som Levski-målvakten Bozhidar Mitrev tappade och Mohamed Bangura kunde enkelt slå in 1-0.
I det läget behövde Levski, som var spelförande hela matchen, göra två mål för att ta sig vidare.
Resultatet stod sig till halvtid och AIK-tränaren Alex Miller valde att plocka in Antonio Flavio i stället för Pontus Engblom för att få fast bollen på Levskis planhalva.
Men i stället för lite lugn och ro blev inledningen på den andra halvleken en mardröm för AIK.
I den 49:e minuten Daniel Mladenov 1-1 otagbart bakom Ivan Turina och två minuter senare föll det matchavgörande målet.
Flera av de svenska spelarna väntade sig att bollen skulle gå ut över linjen och stannade upp när Garra Dembele forcerade in 2-1.
Nils-Eric Johansson var passiv när bollen nickades fram till Dembele.
Levski var sedan närmare att utöka ledningen till 3-1 än vad AIK var en kvittering.
Levski Sofia–AIK 2–1 (0–1)
0–1 Mohammed Bangura (11), 1–1 Daniel Mladenov (49), 2–1 Garra Dembele (51).
Levski Sofia vidare med sammanlagt 2–1.