I och med att Dortmund och Paris Saint-Germain kryssade i Tyskland så hade en seger hemma mot Milan räckt för att Newcastle skulle ta sig vidare.
De tog också ledningen efter dryga halvtimmen genom ett jätteskott av Joelinton.
Men med timmen spelad såg Christian Pulisic till att drömmen om CL-slutspel släcktes på St. James' Park.
Kort därefter byttes Alexander Isak in till förmån för Anthony Gordon, men han lyckades inte hitta nätet.
Istället blev det Milan som gjorde 2-1 genom inhopparen Samuel Chukwueze.
Dortmund vann gruppen före PSG. Milan spelar vidare i andraturneringen Europa Leagues slutspel medan Newcastle får fokusera på ligaspelet i Premier League.
UEFA Champions League
Newcastle United
1 - 2
AC Milan
Första halvlek
- 1 - 0Joelinton (Miley)33'
- 40'Leão
- 45'+1'Maignan
Andra halvlek
- 59'1 - 1Pulisic (Giroud)
- IsakGordon62'
- BurnTrippier63'
- S. LongstaffMiley71'
- Joelinton72'
- 73'PobegaLoftus-Cheek
- 73'JovicPulisic
- 78'Jovic
- 80'Musah
- 83'OkaforGiroud
- 83'ChukwuezeMusah
- 84'1 - 2Chukwueze (Okafor)
- 88'BartesaghiLeão
- 90'Florenzi
- Schär90'+5'