Летом 2012 года Лоренсо вернулся в «Бенфику». 18 августа в матче против «Браги» он дебютировал за «орлов». В этом матче Лоренсо забил «автогол». 19 сентября дебютировал в европейской Лиге чемпионов в матче против шотландского «Селтика». 10 марта 2013 года в поединке против «Жил Висенте» Мельгарехо забил свой первый гол за «Бенфику». 15 мая 2013 года играл в финале Лиги Европы, в котором «Бенфика» уступила «Челси» (1:2), Мельгарехо вышел в стартовом составе и был заменён на 63-й минуте.