Nella stagione 2016-2017 torna al Real Madrid, svolgendo la preparazione estiva con l’allenatore Zinédine Zidane, che il 9 agosto 2016 lo schiera titolare - suo esordio ufficiale con la maglia del Real - nella Supercoppa UEFA disputatasi a Trondheim contro il Siviglia: Asensio ripaga la fiducia del tecnico aprendo le marcature con un tiro da fuori area all’incrocio dei pali e alla fine i madrileni vincono la partita 3-2 dopo i tempi supplementari. Con il Real riesce a segnare ad ogni esordio in una competizione ufficiale: anche in Liga, in Champions League e in Coppa del Re. Il 18 dicembre vince la Coppa del mondo per club FIFA pur non disputando alcuna partita nella competizione. A fine stagione si aggiudica sia il campionato che la Champions League, segnando il quarto gol della sua squadra nella vittoriosa finale contro la Juventus.