9 августа в матче за Суперкубок УЕФА против «Севильи» Марко дебютировал за королевский клуб. В этом же поединке он забил свой первый гол за «Реал», поразив ворота Серхио Рико дальним ударом. Асенсио выиграл свой первый трофей с командой. 21 августа в матче против «Реал Сосьедад» Марко дебютировал за королевский клуб в чемпионате. В этом же поединке он отметился забитым мячом. 18 октября в поединке против польской «Легии» он забил свой первый гол в Лиге чемпионов. 18 апреля 2017 года в матче 1/4 Лиги чемпионов против мюнхенской «Баварии» Асенсио забил гол. В 2017 году он впервые выиграл чемпионат Испании в составе королевского клуба. В Финале Лиги чемпионов УЕФА 2017 против итальянского «Ювентуса» Марко забил четвёртый гол «Реала» и стал победителем турнира.