Op 29 oktober 2018 werd Solari aangesteld als interim-trainer van Real Madrid na het ontslag van Julen Lopetegui. Op 13 november 2018 werd Solari, na eerder kortstondig interim-trainer geweest te zijn, tot de zomer van 2021 vastgelegd als nieuwe hoofdtrainer van Real Madrid. Op 22 december 2018 won Solari met Real Madrid het wereldkampioenschap voor clubs door in de finale Al Ain met 4-1 te verslaan. Op 11 maart 2019 werd Solari, zes dagen na de verloren achtste finale in de UEFA Champions League tegen Ajax, ontslagen als trainer van Real Madrid. In november 2019 keerde hij terug bij Real Madrid als clubambassadeur.