Den 9. mai 2011, etter uker med spekulasjoner, ble det annonsert at Şahin kom til å forlate klubben til fordel for Real Madrid. Overgangsummen var på rundt 10 millioner euro, i tillegg til en utkjøpsklausul. Şahin har uttalt at hovedgrunnen til at han valgte Real Madrid, var på grunn av José Mourinho og at han gjerne ville spille for en storklubb. Han signerte en seksårskontrakt med «Los Blancos».