Gw mau tau 2019–sekarang: Terobosan tim pertama dari Federico Valverde

Dengan kembalinya Zinedine Zidane dan kepergian Marcos Llorente, Valverde menerobos tim untuk menjadi pemain kunci skuad selama musim 2019–20. Pada 9 November 2019, ia mencetak gol pertamanya untuk Real Madrid, dalam kemenangan tandang 4-0 atas Eibar di La Liga.

Pada 12 Januari 2020, Valverde melakukan pelanggaran terhadap Álvaro Morata ketika Final Supercopa de España melawan Atlético Madrid, melakukan pelanggaran profesional dan menghentikan permainan. Valverde dikeluarkan dari lapangan, tetapi tindakannya menghentikan apa yang merupakan gol yang tak terhindarkan, memaksa adu penalti yang dimenangkan Real Madrid, dan membuatnya mendapatkan penghargaan Pemain Terbaik Perlawanan dan pujian luas. Manajer Atlético Madrid, Diego Simeone kemudian menyebut tekel tersebut sebagai "saat paling penting dalam permainan". Dia membuat 33 penampilan selama musim liga, saat Real Madrid memenangkan La Liga 2019–20.

Pada 27 September, Valverde mencetak gol pertama Real Madrid musim 2020–21 saat bertandang ke Betis di La Liga dengan kemenangan 3-2 dan terpilih sebagai 'Pemain Terbaik Perlawanan'. Ini juga merupakan pertandingan La Liga ke-50 untuk Los Blancos. Satu bulan kemudian pada 24 Oktober, Valverde mencetak gol melawan FC Barcelona di Camp Nou hanya dalam waktu lima menit dalam kemenangan liga 3-1. Valverde menjadi pemain Uruguay kedua yang mencetak gol di El Clásico (setelah Luis Suárez) dan yang pertama untuk Real Madrid. Satu minggu kemudian Valderde mencetak gol lagi, melawan Huesca dalam kemenangan liga 4-1 di Stadion Alfredo Di Stéfano. Ini adalah gol ketiganya musim ini, yang berarti dia telah mencetak lebih banyak gol musim ini daripada keseluruhan musim sebelumnya.

Pada 24 Agustus 2021, Valverde memperpanjang kontraknya hingga 2027.