Liverpool führte zweimal in der Türkei, konnte jedoch seinen Vorteil nicht verteidigen und erlitt die zweite Niederlage in Folge unter Andoni Iraola.
Alexander Isak brachte die Gäste in der 69. Minute in Führung, nur um Fenerbahce durch drei Tore aus Standardsituationen antworten zu lassen. Mason Greenwood, Archie Brown und Vedat Muriqi trafen, während die türkische Mannschaft ihr Comeback vollendete.
Das Ergebnis setzte ein besorgniserregendes Muster für Liverpool fort, die in ihren letzten drei wichtigen Europaspielen mindestens drei Tore kassiert haben, nachdem sie auch gegen LASK und Villarreal drei Gegentore hinnehmen mussten.
Van Dijk gab zu, dass die defensiven Leistungen zu einem ernsthaften Problem wurden.
"Es ist definitiv nicht nachhaltig", sagte der Liverpool-Kapitän.
"Deshalb ist es aus vielen Gründen eine sehr enttäuschende Nacht, aber definitiv wegen der Tore, die wir kassiert haben, und der Art und Weise, wie wir sie kassiert haben. Es gibt Arbeit zu tun."
Der Niederländer war besonders frustriert über die Art und Weise, wie seine Mannschaft die Standardsituationen verteidigte, nachdem sie in diesem Bereich zuvor zuverlässig gewesen war.
"Drei Standardsituationen ebenfalls. Wir waren bisher in dieser Saison sehr gut darin, aber wir haben abgeschaltet und waren nicht bereit für die ersten und zweiten Bälle. Es ist schwer zu akzeptieren."
Auf die Frage, ob die Niederlage ihn wütend gemacht habe, machte Van Dijk deutlich, dass die Spieler sich ihrer Mängel voll bewusst waren.
"Ja, aber ich habe es nicht gezeigt, weil jeder enttäuscht aussah und sie einen Grund dafür haben - sie sollten enttäuscht sein.
"Wir können nicht auf die Art und Weise verlieren, wie wir es getan haben. Aber wir haben es getan und es liegt auch an Fenerbahce."
Liverpool hatte fünf aufeinanderfolgende Spiele gewonnen, bevor sie gegen Arsenal und Fenerbahce verloren, und Van Dijk glaubt, dass die schwierige Phase eine Gelegenheit für den Kader sein muss, seine Einheit zu stärken.
"Ich habe nach dem letzten Spiel [gegen Arsenal] erwähnt, dass wir als Gruppe sowohl gute Momente als auch weniger gute Momente durchleben müssen", sagte er.
"Das wird nur eine größere Bindung schaffen und es wird nur vorteilhaft sein. Niemand möchte Spiele verlieren, besonders nicht so, wie wir es getan haben, aber es sollte uns in naher Zukunft nur helfen.
"Wir sollten das Verlieren nicht akzeptieren, insbesondere nicht auf die Art und Weise, wie wir es getan haben."
Liverpool muss nun seine Aufmerksamkeit auf die Premier-League-Reise am Sonntag zu Crystal Palace richten, wobei Van Dijk sich bewusst ist, dass eine weitere anspruchsvolle Herausforderung bevorsteht.
"Es ist riesig. Wenn wir zurück in Liverpool sind, uns körperlich und mental vorbereiten und erholen, werden wir nach vorne schauen", sagte er.
"Es ist immer hart in Palace und ich erwarte nichts anderes."