Jabarkan Real Madrid dari Ruud van Nistelrooy

Pada tanggal 15 Juli 2006, Ferguson memberikan konfirmasi perihal kepergian van Nistelrooy dari Manchester United. Dua pekan kemudian, Real Madrid resmi mengumumkan kesepakatan dengan van Nistelrooy dalam kontrak durasi tiga tahun senilai €24 juta.

Di pertandingan liga keduanya, kontra Levante U.D, van Nistelooy berhasil mencetak hat-trick pertamanya untuk Madrid. Ketika pertandingan El Clasico, van Nistelrooy berhasil mencetak gol pada menit ke-7. Pada tanggal 12 November 2006, van Nistelrooy memborong keempat gol Madrid saat melibas CA Osasuna 4–1. Di akhir musim, van Nistelrooy mendapatkan penghargaan sebagai El Pichichi dengan koleksi 25 gol, sekaligus berhasil membawa timnya memenangkan gelar liga musim 2006–07. Ia juga berhasil membukukan rekor sebagai pemain yang berhasil mencetak gol di tujuh pertandingan La Liga secara beruntun, rekor tertinggi yang juga pernah ditorehkan oleh Hugo Sánchez.

Van Nistelrooy meneken perpanjangan kontrak di Madrid hingga tahun 2010 pada bulan Januari 2008. Ia sempat menjalani operasi pergelangan kaki pada bulan Maret, dan kembali bermain pada partai El Clásico melawan Barcelona tanggal 7 Mei. Pada pertandingan tersebut, ia berhasil mencetak gol lewat titik putih, dua menit setelah masuk sebagai pemain pengganti. Ia menutup musim keduanya di Madrid dengan raihan 20 gol dari 33 penampilan.

Bulan November 2008, Real Madrid mengumkan bahwa van Nistelrooy akan absen di sisa laga musim 2008–09, setelah sebuah pemeriksaan menunjukkan adanya sebagian menikus di lutut kirinya yang robek, yang membutuhkan waktu penyembuhan sekitar 6-9 bulan, ditambah dengan jadwal pelaksanaan operasi kedua. Van Nistelrooy pun pergi ke Amerika serikat guna bertemu dengan spesialis Richard Steadman, yang sebelumnya juga pernah mengoperasi lututnya pada tahun 2000. Pada masa-masa cederanya ini, ia berhasil mengumpulkan 10 gol dari 12 pertandingan musim tersebut. Karena cedera tersebut, namanya dihapus dari skuad Real Madrid di sisa musim tersebut dan nomor punggungnya diberikan kepada Dani Parejo. Pada 24 Agustus 2009, di pertandingan terakhir pra musim La Liga, Van Nistelrooy kembali merumput untuk pertama kalinya usai cedera, saat bermain di 15 menit terakhir melawan Rosenborg.

Van Nistelrooy masuk menggantikan Cristiano Ronaldo pada menit 80 saat melawan Xerez di pertandingan La Liga pertamanya setelah sembuh dari cedera. Di menit 81, ia berhasil memberikan umpan untuk gol Benzema, yang dilanjutkan dengan torehan golnya sendiri pada menit 88. Namun, ia justru terkena cedera paha pada pertandingan tersebut. Real Madrid pun mengumumkan bahwa ia akan absen dari tim utama selama 6 pekan. Pada 27 Oktober, Van Nistelrooy melakukan comeback keduanya pada musim tersebut saat menggantikan Raúl di menit 71, melawan Alcorcon di ajang Copa del Rey.