Voor aanvang van het seizoen 2012/13, kreeg hij het shirtnummer 2 toebedeeld. Nadat hij in de eerste vier wedstrijden van het seizoen op de bank bleef, maakte hij zijn seizoensdebuut op 18 september 2012 in het Champions League-duel tegen Manchester City. Hij speelde de volledige wedstrijd, die Real won met 3-2. Op 30 januari 2013 maakte hij in de Copa del Rey "El Clásico" tussen Madrid en FC Barcelona de gelijkmaker. Daarnaast haalde hij een bal van de doellijn. Dankzij zijn treffer hield Real Madrid Barça op 1–1. In de terugwedstrijd scoorde hij opnieuw. Real won de terugwedstrijd met 1–3 in Camp Nou. In de seizoenen &lt;a href="Primera%20Divisi%C3%B3n%202012/13"&gt;2012/13&lt;/a&gt; en &lt;a href="Primera%20Divisi%C3%B3n%202013/14"&gt;2013/14&lt;/a&gt; speelde hij veertien en vijftien competitieduels. De rest van de wedstrijden bracht hij door op de reservebank. In mei 2014 speelde hij 120 minuten mee in de finale van de Champions League tegen stadsrivaal Atlético Madrid. Varane kreeg de voorkeur op de meer ervaren Pepe. Real Madrid won de CL-finale met 4-1, waardoor het "La Décima" mocht vieren. Het was namelijk de tiende maal in de geschiedenis van Real Madrid dat zij de beker met de grote oren wonnen.