Zur &lt;a href="Primera%20Divisi%C3%B3n%202011/12"&gt;Saison 2011/12&lt;/a&gt; wechselte Varane in die spanische Primera División zu Real Madrid. Der 18-Jährige unterschrieb einen Vertrag bis zum 30. Juni 2017. Bei den Madrilenen war er zu Beginn hinter den erfahrenen Innenverteidigern Sergio Ramos und Pepe nur Ersatzspieler. Dass ihm eine große Zukunft bevorstand, ließ er erstmals im Halbfinale der &lt;a href="Copa%20del%20Rey%202012/13"&gt;Copa del Rey 2012/13&lt;/a&gt; gegen den FC Barcelona durchblicken, als er im Hin- und Rückspiel in der Startformation stand, je ein Tor erzielte und mit einer abgeklärten Abwehrleistung überzeugte. Im siegreichen Endspiel der &lt;a href="UEFA%20Champions%20League%202013/14"&gt;UEFA Champions League 2013/14&lt;/a&gt; stand er überraschend anstelle des angeschlagenen Pepe in der Startformation. Daraufhin unterschrieb Varane bereits im September 2014 einen neuen Sechsjahresvertrag bis zum 30. Juni 2020. In der Saison 2014/15 verdoppelte er mit 46 Pflichtspielen seine Einsätze aus dem Vorjahr. In der Spielzeit 2015/16 verlor er seinen Stammplatz auch aufgrund von Verletzungen nochmals an Pepe, der beispielsweise an seiner Stelle das Champions-League-Finale 2016 bestritt. Anschließend war er unter Trainer Zinédine Zidane jedoch wieder gesetzt und eine wichtige Säule der Mannschaft, die ab der Saison 2016/17 zwei weitere Champions-League- und Meistertitel feierte sowie je zweimal die Supercopa de España, die FIFA-Klub-WM und den UEFA Super Cup gewann. Im September 2017 hatte er seinen Vertrag dabei nochmals bis Ende Juni 2022 verlängert. Nach einer titellosen Saison 2020/21 gab er jedoch bereits ein Jahr vor Vertragsende seinen Abschied von Real Madrid bekannt.