Il 29 ottobre 2018 è promosso allenatore "ad interim" della prima squadra, a seguito dell’esonero di Julen Lopetegui. Esordisce vincendo in Coppa del Re contro il (4-0); seguono le vittorie in campionato contro il (2-0) e in Champions League contro il (5-0). I buoni risultati conseguiti convincono la dirigenza madrilena a rinnovargli il contratto fino al 2021. La prima sconfitta arriva in campionato contro l' (0-3). Il 22 dicembre, guidando il Real Madrid alla vittoria contro l'Al Ain per 4-1, Solari conquista la Coppa del mondo per club FIFA e festeggia il primo trofeo da allenatore.