2015-16シーズンでRCDエスパニョールとのレンタル移籍満了でレアル・マドリードへ復帰、プレーシーズンマッチにて存在感を示す。その活躍が認められて、UEFAスーパーカップのセビージャFC戦にスタメンとして出場、前半21分にミドルシュートのスーパーゴールを決め、レアル・マドリードでの初ゴールを記録した。8月16日に入団セレモニーが行われ、その中で前年までヘセ・ロドリゲスが背負っていた20番を着用することが正式に発表された。2016-17シーズンでは2016年10月18日、欧州CL第3節のとレギア・ワルシャワ戦でCLデビューを飾り、初得点をあげる活躍を見せた。2017年4月18日、欧州CL・準々決勝のバイエルン・ミュンヘン戦では2ndレグで得点をして勝利に貢献した。2017年6月3日、欧州CL決勝のユヴェントスFC戦では途中出場からチームの4点目となるゴールを決め、史上初のCL連覇に貢献した。2017年8月16日、スーペルコパ・デ・エスパーニャの第2戦で先発すると、FCバルセロナに得点を決めて優勝に貢献した。2018年2月18日、レアル・ベティスとの試合でレアル・マドリードの通算6000得点目を記録した。2018年9月29日に行われたリーガ・エスパニョーラ第7節のアトレティコ・マドリード戦で先発メンバーに名を連ね、フル出場。2016年8月9日のUEFAスーパーカップ、セビージャ戦でデビューしてから約2年2カ月で通算100試合出場を達成した。2019年7月23日、アーセナルFCとのプレシーズンマッチで左膝に重傷を負い、2019-20シーズンのプレーが絶望的になったと報じられた。
2015年9月19日に行われた第4節のレアル・ソシエダ戦でスタメンに抜擢されトップリーグのデビューを飾ると、22日に行われた第5節のバレンシアCF戦でも先発出場。そのうえ、いずれの試合でもゴールを演出し、チームの連勝に貢献した。
2014年12月、マヨルカ島出身のテニスプレイヤーであるラファエル・ナダルの進言もあり、スペインの強豪レアル・マドリードへ移籍。移籍金は約350万ユーロ（当時のレートで約5億8000万円）と報じられている。2014-15シーズンはレンタル移籍という形でそのままRCDマヨルカに残留した。2015年8月4日に行われたアウディカップ2015のトッテナム戦にて、67分にスペイン代表MFイスコとの交代でピッチに立ち、マドリードデビューを果たした。2015年8月20日、1年間のRCDエスパニョールへのレンタル移籍が発表された。
2006年、RCDマヨルカの下部組織からキャリアが始まった。当時アセンシオの年齢で入るカテゴリーがなかったため、2歳年上の子供達に混じってプレーした。幼少時から将来が嘱望されており、その頃からレアル・マドリードやFCバルセロナも注目していたと言われている。17歳となった2013年10月のセグンダ・ディビシオン、レクレアティボ・ウエルバ戦でトップチームデビュー。
マルコ・アセンシオは、スペイン・バイアレス諸島州マヨルカ島パルマでバスク人の父とオランダ人の母（2011年に他界）との間に生まれた。ファーストネームであるマルコは、マルコ・ファン・バステンのファンであった母親によってつけられた。マヨルカ島最大の都市であるパルマ・デ・マヨルカから15km離れたノバマジョルカでプレーしていたところスカウトの目に止まり、地元のRCDマヨルカに入団。
1985年にニューヨーク・ヤンキースと契約。1989年8月23日のボストン・レッドソックス戦で「8番・三塁手」としてMLBデビューを果たし、3打数1安打をマークする。1994年にNPBの千葉ロッテマリーンズに入団。カリブ海にあるキュラソー島はオランダ領であることから、日本初の「オランダ人助っ人」が誕生した。英語・スペイン語・ドイツ語・オランダ語（実際はオランダ語というよりも出身地の母語であるパピアメント語）を話せるマルチリンガルとして選手名鑑に登場した。登録名は「ミューレン」とされ、離日直前のサインにはつたないながらも、カタカナで「ミューレンス」と添え書きしていた。ロッテでは23本塁打、69打点の数字を残したが、翌年のボビー・バレンタイン監督招聘にあたり構想外となり1年で自由契約となった。1995年にヤクルトスワローズに入団した。ヤクルトは同年阪神タイガースからアベレージヒッターのトーマス・オマリーを獲得したものの、広沢克己とジャック・ハウエルの2人の長距離打者が読売ジャイアンツに移籍したことにより、長打力を買ってミューレンを獲得した。開幕2戦目、桑田真澄が飯田哲也への頭部死球で退場となった後、1点ビハインドの1死満塁のチャンスで回ってきて、その日は3打席3三振で1エラーのミューレンは汚名返上のタイムリーツーベースヒット（シーズン初安打）を放ってシーズン初勝利に貢献した。当初は中軸を期待されたが、下位（主に7番か8番）に置いて自由に打たせた結果、打率は低いものの長打力を発揮し「恐怖の8番打者」的な存在として、同年のリーグ優勝・日本一に貢献した。1996年も打率の低さと三振が多く(2年連続リーグ三振王)、シーズン終了後にヤクルトを退団した。1997年にモントリオール・エクスポズでMLB復帰した。1998年はアリゾナ・ダイヤモンドバックスでプレーしたが、MLBに在籍する期間はそれほど長くなく、IBAFワールドカップやIBAFインターコンチネンタルカップのオランダ代表としてたまに顔を見せる程度となった。1999年は独立リーグであるアトランティックリーグのニューアーク・ベアーズでプレー。2000年にはKBOのサンバンウル・レイダースでプレーする予定であったが、経営難で同球団は解散し、その後を受けて設立されたSKワイバーンズに入団。しかし、成績不振によりシーズン途中で解雇された。なお、シドニー五輪にもオランダ代表として出場している。2001年は再びニューアーク・ベアーズに復帰したが、同年限りで現役を引退した。