Op 31 augustus 2018 kondigde Real Madrid aan dat Mayoral, die zestien dagen eerder nog was ingevallen voor Toni Kroos in de verloren UEFA Super Cup tegen Atlético Madrid, voor een seizoen werd uitgeleend aan Levante UD. Mayoral schipperde er tussen bank en basis en kon pas op 9 december 2018 zijn eerste competitiegoal voor de club maken in het 4-4-gelijkspel tegen SD Eibar. Mayoral sloot het seizoen af met vijf goals in 32 wedstrijden, waarvan twee in de Copa del Rey. In juli 2019 liet Real Madrid weten dat het Mayoral nog een extra seizoen bij Levante stalde. In zijn tweede seizoen bij Levante was Mayoral beter bij schot: hij klokte af op negen doelpunten in 36 wedstrijden, waarvan acht in de Primera División.