El 21 de juny de 2016, el Real Madrid va exercir la seva clàusula de recompra per tornar a signar a Morata de la Juventus per 30 milions d'euros. La seva primera aparició en competició va ser el 9 d'agost, quan va començar en una victòria de 3 a 2 sobre els seus compatriotes espanyols Sevilla a la Supercopa de la UEFA de 2016.
, substituït per Benzema després de 62 minuts. El seu primer gol va arribar en una victòria a casa 2 a 1 contra el Celta el 27 d'agost.