Mediauppspelning stöds inte på den här enheten
Den före detta England chefen vann bara sex av 28 Premier League-matcher som ansvarar för Magpies, som är bara en plats utanför foten av bordet.
McClaren och hans team buades iväg efter lördagens 3-1 förlust till Bournemouth på St James' Park - deras tredje på varandra följande liga nederlag.
Men i ett uttalande sade McClaren: "Jag är övertygad om att vi skulle ha stannat kvar i Premier League."
Han tillade: " Jag är uppenbarligen besviken på beslutet.
"Det har varit en hel del intensiva spekulationer om min position under de senaste dagarna, min enda prioritet har varit att upprätthålla min professionalism och fortsätta med mitt arbete för att bäst förbereda laget.
"För varje anhängare av Newcastle, hoppas jag verkligen att klubben kan producera de resultat jag tror att de är kapabla att upprätthålla sin Premier League status."
McClarens framtid har varit en källa till nästan ständiga spekulationer sedan Cherries nederlag.
Dagens presentatör Gary Lineker twittrade: " Newcastle har äntligen gjort slut på Steve McClaren.
"Springningen av den stora fotbollsklubben är bortom skenhelighet."
Ian Dennis, BBC Radio 5 lives senior fotbollsreporter, sade att Benitez hade identifierats som en ersättare för McClaren vid ett styrelsemöte på måndag.
Mediauppspelning stöds inte på den här enheten
"Rafa i förarsätet för att ersätta McClaren", twittrade före detta Magpies-strejkaren Michael Owen. "Den som tar över förväntar sig att Newcastle stannar uppe."
McClaren, 54, undertecknade ett treårigt avtal med Magpies i juni efter klubben undvek nedflyttning på sista dagen i förra säsongen.
Newcastles nästa match är på ledare Leicester City på måndag.
"Efter nederlaget för Bournemouth på lördagen har klubben ägnat lite tid åt sin position och har idag kommit fram till att Steve McClarens anställning med klubben kommer att sluta med omedelbar verkan.
"Vi erkänner att det har tagit ett antal dagar att fatta detta beslut och att detta har orsakat osäkerhet för alla inblandade, särskilt för Steve och spelarna, som vi ber om ursäkt för.
"Vi ansåg dock att den här gången var nödvändig för att säkerställa att rätt beslut fattades med klubbens bästa för ögonen.
"Hantering direktör Lee Charnley tillade: 'Jag skulle vilja tacka Steve personligen för hans tjänster till Newcastle United.
"'Han är en man med integritet och klass och han har uppfört sig med stor värdighet under denna svåra tid.
" 'Steve arbetade outtröttligt för att försöka få framgång i Newcastle United.
"'Han har största respekt för alla spelare, personal och ledning och han lämnar med våra allra bästa lyckönskningar och uppriktigt tack.
"Vi anser att en förändring nu behövs för att ge klubben bästa möjliga chans att säkra sin Premier League framtid. Ytterligare ett tillkännagivande om en efterträdare till Steve kommer att göras i sinom tid."
Före detta Newcastle försvarare Steve Howey höll med Lineker om att klubbens hantering av McClarens avsked hade varit "pretty shambolic".
Han tillade: " Det tycks vara en sammanfattning av Newcastle just nu.
"Alla trodde efter nederlaget av Bournemouth att det skulle bli diskussioner direkt efter matchen med styrelsen - som Steve är på - och ett beslut kunde fattas innan den nya veckan började.
"Det släpade på och, för att vara rättvis mot Steve, har han visat utmärkt professionalism. Han fortsatte att veta att han skulle ge sig av."
BBC Sports chefsfotbollsförfattare Phil McNulty:
Steve McClaren var en oinspirerad, till synes säker, utnämning av Newcastle United efter att de undkom relegering från Premier League på den sista dagen av förra säsongen.
Utgå av Derby County efter att de misslyckats med att nå Championship play-off trots starkt ekonomiskt stöd, McClaren kom som skadade varor.
Han hade turen att få jobbet och det visade sig helt bortom hans förmåga, trots 80 miljoner pund utgifter sedan sommaren, vilket resulterar i bara sex segrar och en plats i nedflyttningszonen.
Men hur stort inflytande hade McClaren över överföringspolitiken? Chefsscouten Graham Carr verkar ha makten, men McClaren tog ansvar.
Detta otympliga system måste skrotas och chefen måste tillåtas att hantera, annars Newcastle aldrig kommer att undkomma skuggan hängande permanent över denna jätte av en klubb.
Mediauppspelning stöds inte på den här enheten
McClaren spenderade cirka £ 80m på spelare under sin tid på St James' Park, inklusive £ 30m på midfielders Jonjo Shelvey, Andros Townsend och Henri Saivet i januari.
Men undertecknandet har misslyckats med att hjälpa till att förbättra klubbens form och de har vunnit bara en av sina senaste sex liga matcher, conceding 14 mål i nederlag av Watford, Everton, Chelsea, Stoke och Bournemouth.
Förutom Newcastle, Derby och England har McClaren förvaltat Middlesbrough, Holländska sidan FC Twente och Wolfsburg i Tyskland.
Newcastle United har sparkat huvudtränare Steve McClaren.