La 21 iunie 2016, Real Madrid și-a exercitat clauza de răscumpărare pentru a-l reînchide pe Morata de la Juventus pentru 30 de milioane de euro. Prima sa apariție în competiție a fost pe 9 august, când a debutat într-o victorie de 3-2 împotriva echipei spaniole Sevilla în Supercupă UEFA 2016.
, fiind înlocuit de Benzema după 62 de minute. Primul său gol a venit într-o victorie cu 2-1 împotriva lui Celta pe 27 august.