Më 17 korrik 2015, Real Madrid lajmëroi se kishte arritur një marrëveshje për transferimin e Kroosit, duke firmosur një marrëveshje gjashtë vjeçare për një shumë të paditur. Mediat raportonin se shuma e transferimit të tij ishte rreth 25-30 milion €. Kroos u bë lojtari i nëntë gjerman, pas Günter Netzer, Paul Breitner, Uli Stielike, Bernd Schuster, Bodo Illgner, Christoph Metzelder, Mesut Özil, dhe Sami Khedira, që bashkohet me Real Madridin. Ai u prezantua në mes të 8,000 tifozëve, dhe deklaroi se ""Reali është klubi më i madhë në botë"" dhe ""se është pak më lartë se Bayerni"". Ai luajti në ndeshjen e tij debutuese kundër Seviljes në UEFA Super Kupën më 12 gusht; duke fituar trofeun e parë me Real Madridin.