Kontraktsforhandlingene med Barcelona førte ikke fram, og med ett år igjen av kontrakten godtok Barcelona på sommeren i 1990 et kontroversielt salg til erkerivalen . Fra rekruttlaget flyttet Cruijff opp fem år yngre Josep Guardiola til å fylle Millas rolle på laget. Av den spanske fotballpublikasjonen Don Balóns årlige prisutdelinger ble Milla tildelt prisen som spansk fotballs beste unge spiller for 1989/90-sesongen. Real Madrid hadde sikret seg en av Spanias beste unge spillere, og overgangen ble godt mottatt av klubbens tilhengere. I sesongoppkjøringen til 1990/91-sesongen pådro Milla seg en alvorlig kneskade, som begrenset ham til kun seks opptredener i seriespillet i sin første sesong for Real Madrid. Overgangen fra Barcelona til Real Madrid sammenfalt med et skifte i styrkeforholdet mellom de to lagene. De fire første sesongene Milla spilte for Real Madrid befant klubben seg i skyggen av Barcelona. Først i 1994/95-sesongen kunne Milla juble for å ha vunnet et seriemesterskap med Real Madrid. Han ble også seriemester med Real Madrid i 1996/97-sesongen.