ב-28 ביוני 2010 הודיעה ריאל מדריד באתרה הרשמי כי היא רכשה את כרטיס השחקן שלו מבנפיקה ליסבון תמורת 25 מיליון דולר, וכי די מריה יחתום בשורותיה ל-6 עונות. בעונתו הראשונה בקבוצה היה שותף לזכייתה בגביע המלך ואף בישל את שער הניצחון, בניצחון קבוצתו 0–1 על ברצלונה במשחק הגמר. בעונה הבאה היה שותף די מריה לזכייתה של הקבוצה באליפות ספרד. בשנת 2014 זכה די מריה עם הקבוצה בליגת האלופות ונבחר על ידי אופ"א לאיש המשחק של משחק הגמר.