21. června 2016 využil Real Madrid klauzuli o zpětném odkupu Moraty z Juventusu za 30 milionů euro. Jeho první soutěžní zápas proběhl 9. srpna, když začal vítězstvím 3:2 nad Sevillou v Superpoháru UEFA. Po 62 minutách ho nahradil Benzema. Jeho první gól vstřelil 27. srpna při domácí výhře 2:1 nad Celtou.