Han signerte for den spanske hovedstadsklubben 9. mai 2011 etter at Borussia Dortmund og ble enig om en seksårskontrakt med en verdi på ca. 10 millioner euro. Şahin ble kåret til årets spiller i Bundesliga for 2010/2011-sesongen. 25. august 2012 ble han lånt ut på sesonglangt lån fra Real Madrid til den engelske klubben .