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。
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。