Jabarkan Real Madrid dari Federico Valverde

Pada Juli 2016 ia dipindahkan dari Peñarol ke Real Madrid, terus ditugaskan ke tim B. Dua bulan kemudian, Valverde melakukan debutnya untuk Castilla melawan Real Union, dalam pertandingan dimana klubnya kalah. Dia menjadi anggota reguler tim kedua selama musim debutnya. Gelandang itu mencetak gol pertamanya untuk Castilla melawan Albacete pada Desember 2016.

Sehubungan dengan semakin pentingnya dia bagi tim, Santiago Solari, pelatihnya di Castilla, mengatakan pada 29 Januari 2017, "Saya sangat senang dengannya. Dia telah beradaptasi dengan sangat baik dengan klub dan negara."

Pinjaman ke Deportivo La Coruña

Pada 22 Juni 2017, Valverde dipinjamkan ke klub La Liga, Deportivo de La Coruña selama satu tahun. Dia melakukan debutnya di kompetisi pada 10 September, menggantikan Fede Cartabia dalam kekalahan kandang 2-4 melawan Real Sociedad.

Valverde berkontribusi dengan 24 penampilan liga selama kampanye, saat timnya mengalami degradasi.

2018: Kembali ke Real Madrid

Setelah kembali dari pinjaman, Valverde membuat terkesan manajer baru Julen Lopetegui selama pra-musim 2018–19 dan secara definitif ditugaskan ke tim utama. Pada tanggal 23 Oktober 2018, Valverde melakukan debut resminya di Real Madrid di fase Grup Liga Champions UEFA melawan Viktoria Plzeň di Bernabéu pada usia 20 tahun. Dia membuat 25 penampilan dan memenangkan Piala Dunia Klub FIFA di musim pertamanya dengan tim pertama.