Mariano foi definitivamente ascendido ao equipo principal polo adestrador Zinedine Zidane o 20 de agosto de 2016, despois dunha lesión nas costas do atacante Karim Benzema. Unha semana máis tarde, Mariano fixo o seu debut como xogador sénior durante unha vitoria por 2 a 1 sobre o Celta de Vigo, substituíndo a Álvaro Morata no minuto 77. O 26 de outubro, de novo desde o banco, marcou o seu primeiro gol para os "Merengues" para concluír unha vitoria por 7 a 1 contra o Cultural y Deportiva Leonesa na Copa del Rey. Na segunda xornada, engadiu un hat-trick para unha vitoria de 13<unk>2, incluíndo un gol de 23 segundos que foi o gol máis rápido do seu equipo na competición. Mariano marcou o seu primeiro gol na primeira división o 10 de decembro, igualar na vitoria por 3 a 2 en casa contra o Deportivo de La Coruña. Ese mesmo mes, formou parte do equipo que gañou a Copa do Mundo de Clubes de 2016.
no Xapón, pero non apareceu en ningún dos partidos do Real Madrid. Mariano fixo oito aparicións cando o Madrid gañou a Liga de 2016. Foi un substituto cando o Madrid gañou a Liga de Campións da UEFA 2016-17.