Efter skitet til Real Madrid tilbragte Asensio hele sin første sæson på leje hos RCD Espanyol i Barcelona. Han debuterede i sæsonen 2016-17 for Real Madrid i UEFA Super Cuppen mod Sevilla FC. Sæsonen endte meget succesfuld for Asensio og Real. Klubben vandt både det spanske mesterskab, samt Champions League-finalen mod italienske Juventus, hvor Asensio scorede det ene mål i Reals sejr på 4-1.