Sau ba mùa giải đáng nhớ thi đấu cho AC Milan theo dạng cho mượn, Brahim Diaz đã trở lại Real Madrid vào mùa hè năm 2023. Khi trở về Santiago Bernabeu, cầu thủ người Tây Ban Nha đã có một mùa giải thành công trong mùa 2023-24, ghi được 12 bàn và 9 kiến tạo trong 44 lần ra sân, giúp Los Blancos giành được cả chức vô địch Champions League và La Liga. Tuy nhiên, trong mùa giải 2024-25, Diaz gặp khó khăn trong việc có được thời gian thi đấu và chỉ xuất phát trong hai trận đấu tại La Liga.