Влітку 2017 року Льоренте повернувся до складу клубу «Реал Мадрид». 23 вересня 2017 року контракт Льоренте був продовжений до 2021 року. Станом на 12 листопада 2017 відіграв за королівський клуб 5 матчів в національному чемпіонаті. В кінці 2018, після того, як тренером «Реала» став Сантьяго Соларі, став потрапляти в основу команди. Також став одним з найкращих гравців фіналу Клубного чемпіонату світу 2018 року.