Sau khi giã từ sân cỏ, Zidane trở lại câu lạc bộ Real Madrid để làm việc với vai trò là cố vấn cho chủ tịch câu lạc bộ. Ông từng là Giám đốc thể thao của câu lạc bộ này. Năm 2013, Zidane là trợ lý huấn luyện viên của Real Madrid vào góp phần đưa Real Madrid đến chức vô địch Champions League lần thứ 10 trong lịch sử.[19] Năm 2014, Zidane được bổ nhiệm làm huấn luyện viên trưởng của đội trẻ Real Madrid.[20][21]

Ngày 4 tháng 1 năm 2016, Zinedine Zidane đã chính thức trở thành huấn luyện viên trưởng của Real Madrid sau khi Chủ tịch Florentino Pérez quyết định sa thải Rafael Benítez.[22]. Nhưng ở mùa giải đầu tiên tại Santiago Bernabeu, Zidane đã đạt được kết quả vô cùng ấn tượng với 1 chức vô địch UEFA Champions League 2016 sau khi đánh bại đội bóng cùng thành phố Atletico Madrid với tỷ số 5-3 trên chấm luân lưu 11m, sau khi hòa 1-1 sau 120 phút ở San Siro. Đồng thời, Real Madrid cũng đã về nhì ở La Liga.

Năm 2017, Zidane đã bảo vệ thành công chức vô địch UEFA Champions League sau khi Real Madrid đánh bại Juventus với tỉ số 4-1 trong trận chung kết. Đây là một kỷ lục bởi trước đó chưa từng đội nào bảo vệ thành công chức vô địch UEFA Champions League kể từ khi giải đấu này đổi tên năm 1992. Cũng trong mùa giải này, Real Madrid vô địch La Liga.

Năm 2018, ông tiếp tục cùng các học trò bảo vệ chức vô địch Champions League lần thứ 3 liên tiếp sau khi đánh bại Liverpool 3-1 tại trận chung kết. Chỉ 5 ngày sau, ông đã quyết định từ chức trong vinh quang.

Ngày 12 tháng 3 năm 2019, Zidane trở lại dẫn dắt Real Madrid.[23] Năm 2020, ông giúp Real Madrid vô địch La Liga.