Setelah itu, Real Madrid meminangnya pada musim panas 2009. Meski bersinar dan selalu memainkan peran penting, popularitas dan kegemilangan Benzema sering dipandang sebelah mata lantaran dibayang-bayangi oleh Cristiano Ronaldo.
Baru setelah Ronaldo meninggalkan Real Madrid pada musim panas 2018, Benzema benar-benar menunjukkan tajinya sebagai bomber sekaligus mesin gol yang mumpuni untuk Klub Ibu Kota Spanyol itu.
Selama membela Real Madrid, Benzema telah ikut membawa El Real meraih beberapa trofi bergengsi. Sebut saja seperti trofi Liga Spanyol, Copa del Rey, Liga Champions, Piala Super Eropa, hingga Piala Dunia Klub.
Benzema juga kembali menjadi andalan Timnas Prancis setelah sempat dipinggirkan karena kasus pemerasan terhadap rekan setimnya. Selama memperkuat Les Bleus, dia sudah melesakkan 36 gol dari 94 kali bertanding.