در همان روز برکناری بنیتز، زین‌الدین زیدان به عنوان جانشین وی معرفی شد. زیدان پیش از دستیار کارلو آنچلوتی در این تیم بود و سرمربیگری رئال مادرید کاستیا را نیز در کارنامه داشت. رئال در اولین بازی با حضور زیدان در ۹ ژانویه ۲۰۱۶، دپورتیوو لاکرونیا را با هت‌تریک گرت بیل ۵–۰ در خانه شکست داد. در ۲۸ مه، رئال مادرید با شکست اتلتیکو مادرید در ضربات پنالتی فینال لیگ قهرمانان اروپا، برای یازدهمین بار قهرمان این رقابت‌ها شد. در ۱۰ دسامبر ۲۰۱۶، رئال با برد ۳–۲ مقابل دپورتیوو، رکورد ۳۵ بازی بدون شکست را ثبت کرد. در ۱۸ دسامبر ۲۰۱۶، رئال با هت‌تریک کریستیانو رونالدو، ۴–۲ باشگاه فوتبال کاشیما آنتلرز را شکست داد و قهرمان جام باشگاه‌های جهان ۲۰۱۶ شد. با تساوی ۳–۳ مقابل سویا در ۱۲ ژانویه ۲۰۱۷، رکورد شکست‌ناپذیری رئال به ۴۰ بازی رسید و رکورد قبلی اسپانیا (۳۹ بازی) که در اختیار بارسلونا بود را شکست. سه روز بعد، با باخت ۲–۱ مقابل سویا، این روند شکست‌ناپذیری به پایان رسید. در مه ۲۰۱۷، رئال برای سی‌وسومین بار به قهرمانی لا لیگا رسید. رئال با شکست یوونتوس در فینال لیگ قهرمانان اروپا ۲۰۱۷ ضمن قهرمانی برای دوازدهمین در این رقابت‌ها، به نخستین تیمی تبدیل شد که از مقام قهرمانی‌اش در دورهٔ لیگ قهرمانان اروپا دفاع می‌کند. این سومین قهرمانی رئال در اروپا طی ۴ سال بود که "لا اوندسیما" نیز نامیده می‌شود.