Năm 2001, Zidane đã gia nhập "dải ngân hà" Real Madrid với 76 triệu euro, khoản phí chuyển nhượng tốn kém nhất trong lịch sử bóng đá trong một hợp đồng bốn năm.

Ông đã ghi được bàn thắng quyết định đem về cho Real chiếc cúp C1 thứ 9 và là chiếc cúp C1 đầu tiên của ông trong chiến thắng 2-1 trước Bayer Leverkusen năm 2002. Mùa tiếp theo, Zidane giúp CLB giành chức vô địch La Liga và ông lần thứ ba được FIFA bầu chọn là Cầu thủ xuất sắc nhất thế giới.

Ở Real lúc đó là cả một dải thiên hà với các sao sáng như Luís Figo, Roberto Carlos, David Beckham, Ronaldo, Raúl González… nhưng nhiều tờ báo cho rằng Zidane là khoảng 50% sức mạnh của Real.

Năm 2004, người hâm mộ bình chọn ông là "Cầu thủ xuất sắc nhất châu Âu" trong vòng 50 năm qua thông qua một cuộc bỏ phiếu trên Internet. Cũng nhân dịp kỉ niệm 100 năm FIFA, ông được bầu chọn trong danh sách 100 cầu thủ tiêu biểu mọi thời đại của làng bóng đá (FIFA 100).

Zidane lập được cú hat-trick đầu tiên ở tuổi 33 trong chiến thắng 4-2 trước Sevilla FC, nhưng mùa bóng cuối cùng của Zidane ở Real đã "trắng tay". Vào ngày 7 tháng 5 năm 2006, Zidane chơi trận cuối cùng cho Kền kền trắng và cũng ghi được bàn thắng cuối cùng ở cấp độ CLB trong trận hoà 3-3 với Villarreal CF. Toàn đội bóng và CĐV đều mặc áo có đề "Zidane 2001-2006" để cảm ơn ông[12].

Zidane tuyên bố sẽ chính thức giải nghệ sau World Cup 2006.