2009年7月1日，本泽马以最高转会费4100万（3500万+体育表现相关的各种奖金）的身价加盟西甲豪门皇家马德里队，开启他职业生涯新的征程。7月9日，本泽马完成体检，正式加盟皇马并签约6年。

2010/11赛季，皇马迎来了新帅穆里尼奥，在魔力鸟的带领下，本泽马披上了象征主力前锋的9号球衣。上任后，穆里尼奥对媒体说：“本泽马必须明白，他非常有天赋，但这还不够，皇马需要的是一名活力四射的前锋，而不是无精打采的本泽马。”

11月下旬，由于伊瓜因受伤，本泽马终于迎来了证明自己的机会。在欧冠小组赛上，皇马4-0击败欧塞尔，本泽马上演帽子戏法。赛季结束后，本泽马各项赛事攻入26球，仅次于C罗成为队内第二得分手。

2011/12赛季，本泽马终于坐稳了皇马的主力前锋。2011年，本泽马获得了法国年度最佳球员。进入2012年后，本泽马依旧势不可挡。3月24日，本泽马在皇马对阵皇家社会的比赛中攻入2球，使他在西甲联赛中超越队史传奇齐达内，成为为皇马进球最多的法国球员。这个赛季，本泽马代表皇马各项赛事出场52次打进32球助攻16次。

2012/13赛季，西甲第二轮皇马对阵格拉纳达的比赛中，本泽马攻入全场唯一进球，这粒进球对于本泽马整个职业生涯具有里程碑意义，这是他第100个联赛进球，其中法甲43球，西甲57球。2012年12月18日，也就是生日的前一天，本泽马连续两年获得法国足球先生。

赛季结束后，本泽马打进11粒西甲联赛进球，各项赛事出场50次打进20粒进球。

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2013/14赛季，本泽马在各项赛事出场52次打进24球。

2014年8月6日，皇马与本泽马续约5年。整个赛季，本泽马代表皇马出战46次打进22球。

2015/16赛季，本泽马代表皇马在各项赛事出场36次打进28球。其中在西甲联赛中，本泽马出场27次打进24球，获得西甲银靴。

2016/17赛季，本泽马打进19球，帮助皇马夺得了西甲冠军和欧冠冠军。

2017年9月20日，皇马宣布与本泽马续约至2021年。2017/18赛季，他为球队出战47次，打进12球贡献11助攻。