Nach den starken Leistungen für Leverkusen zog Real Madrid die vereinbarte Rückkaufoption und Carvajal kehrte zum spanischen Rekordmeister zurück. Er unterschrieb einen Vertrag über sechs Spielzeiten bis zum 30. Juni 2019. In der Saison 2013/14 gewann Carvajal mit seiner Mannschaft die Copa del Rey und die UEFA Champions League, sowie in der Saison 2014/15 den UEFA Super Cup und die FIFA-Klub-Weltmeisterschaft. Dabei setzte er sich auf der Position des Rechtsverteidigers gegen Álvaro Arbeloa durch und stand bei allen Finalspielen in der Startformation. Vor der &lt;a href="Primera%20Divisi%C3%B3n%20%28Spanien%29%202015/16"&gt;Saison 2015/16&lt;/a&gt; verlängerte Carvajal seinen Vertrag um ein Jahr bis Juni 2020. In der Folge konnten auch die Verpflichtung des Rechtsverteidigers Danilo und mehrmonatige Verletzungspausen nichts an seinem Status als Stammspieler ändern. Unter Trainer Zinédine Zidane gewann er mit Real Madrid zwischen 2016 und 2018 insgesamt neun Titel, darunter drei weitere Male die Champions League und eine Meisterschaft. In den Champions-League-Endspielen 2016 und 2018 musste er dabei verletzt ausgewechselt werden. Im September 2017 wurde sein Vertrag vorzeitig bis Ende Juni 2022 und im Juli 2021 nochmals bis Ende Juni 2025 verlängert.