El 11 de junio de 2009, el club inglés aceptó la oferta de £80 millones136 del Real Madrid, confirmándose dos semanas después que había sido el traspaso más caro en la historia del fútbol hasta la fecha —posteriormente superado por el de Neymar del FC Barcelona al PSG por 222 millones de euros—.137138 Casi 80.000 personas asistieron a la ceremonia de presentación,139 rompiendo el récord de hacía 25 años de Diego Maradona cuando fue presentando en Napoli ante 75 mil aficionados. Debido a que el capitán del club Raúl tenía ya el dorsal 7, a Cristiano se le asignó el número 9, el cual fue presentado por la leyenda madridista Alfredo Di Stéfano.
Con la salida del capitán Raúl, Ronaldo heredó su clásico dorsal «7»,147 con el que tendría un espectacular comienzo de temporada en el que se destapó como uno de los mejores goleadores nunca vistos. Entre sus actuaciones, destacaron la realizada contra el Racing de Santander, donde anotó por primera vez en su carrera cuatro goles en un partido,148 o las acontecidas en el mes de octubre, donde anotó en 6 partidos consecutivos un total de 13 tantos, la mayor cantidad en un mes natural para él.149 Para inicios de diciembre, su progresión parecía no terminar y se situó con más de 20 goles en menos de 20 partidos en todas las competiciones, terminando el año 2010 con el mejor registro de su carrera, 48 goles en total, que fueron 13 más de los que logró en 2008 con el Manchester United.150 Sin embargo, a pesar de sus increíbles números, no logró entrar en el podio del Balón de Oro de la FIFA, en su edición inaugural.151 El 3 de marzo, en el partido contra el Málaga, el jugador anotó su quinto triplete de la temporada, destrozando sus registros en el club inglés, donde solo fue capaz de anotar uno en seis años.
Luego de una decepcionante temporada sin títulos, Mourinho acabaría siendo destituido de su cargo como entrenador, siendo reemplazado por el histórico director técnico italiano Carlo Ancelotti.195 El 15 de septiembre de 2013, se anunció su renovación con el club, ampliándose el contrato hasta el final de la temporada 2017-18, con un salario de 17 millones de euros netos, convirtiéndolo en el futbolista mejor pagado del mundo.196 Para el inicio de la temporada 2013-14, el club fichó al extremo Gareth Bale, quien en su traspaso superó el récord de Ronaldo como el fichaje más caro de la historia, al pagarse por el galés más de 100 millones de euros.197 Junto al delantero francés Karim Benzema, los tres delanteros formaron un tridente popularizado como la "BBC", un acrónimo de Bale, Benzema y Cristiano.198 CR7 anotó 32 goles en 22 partidos jugados para el club y el país a mediados de noviembre de 2013, incluyendo cinco tripletes. El portugués cerró el 2013 con 69 goles en 59 apariciones, su más alto registro al final de un año, y obtuvo su segundo Balón de Oro luego de cuatro años, y el primero desde la fusión de los trofeos del Balón de Oro y el Jugador Mundial de la FIFA.199
El Madrid acabó segundo en La Liga, y fue eliminado en semifinales de la Champions League contra la Juventus. En la Liga, anotó por primera vez cinco goles en su carrera, incluido un hat-trick en ocho minutos, en la victoria 9 a 1 al Granada. Convirtió su 300.º gol para su club tan solo tres días después, en una victoria 2 a 0 al Rayo Vallecano. Varios hat-tricks seguidos, como al Sevilla, Espanyol y Getafe llevaron su marca de hat-tricks de 31, superando el récord de Di Stéfano de 28. Cristiano terminaría esa temporada con 48 goles, ganando su segundo Pichichi consecutivo y su cuarta Bota de Oro, marca récord.210
Para la temporada 2015-16, Ancelotti acabaría destituido de su cargo al no conseguir los objetivos, y sería sustituido por Rafa Benítez. Esta sería la temporada que Ronaldo se consagraría como el máximo goleador histórico del Real Madrid, primero en la Liga y luego en todas las competencias.211 El 12 de septiembre anotó cinco goles al Espanyol, superando la marca de Raúl con 230 goles en Liga.212 Un mes después, el 17 de octubre volvió a superar a Raúl cuando anotó el segundo gol al Levante para superar su total histórico, con 324 goles. Además, Ronaldo se convirtió en el máximo goleador histórico de la Champions League luego de anotar un hat-trick al Shaktar Donetsk. Además llegó a los 500 goles en club y país el 30 de septiembre luego de dos goles al Malmo.
