Alonso đã đạt được thoả thuận chuyển sang chơi cho Real Madrid vào cuối tháng 7 với mức giá 30 triệu bảng Anh và chính thức rời Liverpool vào ngày 5 tháng 8[65] và tạm nhận số áo 22 (sau này được nhường lại cho Di Maria. Anh thường được huấn luyện viên Jose Morinho sử dụng ở vị trí tiền vệ trụ và nhận được lại số áo yêu thích là 14 từ Guti. Anh đã có những mùa giải thành công tại Real Madrid nhưng khá tiếc cho Xabi Alonso là cho đến nay (tức mùa giải 2011-12) anh vẫn chưa ghi một bàn thắng nào cho Kền Kền Trắng. Bất ngờ vào cuối mùa giải 2011-12 anh tiết lộ trên một tờ báo rằng: Tại sao tôi rời khỏi Liverpool, vì tôi cảm thấy tôi... không đủ niềm tin với huấn luyện viên Rafeal. Tôi có nghe đồn rằng có người dụ ông ta (huấn luyện viên) bán tôi đi lấy tiền trả nợ cho Liverpool.