El día 21 de diciembre de 2008 el Real Madrid hizo público a través de su página web oficial el fichaje del jugador hasta el 30 de junio de 2013 por 20.000.000 de euros. En este club Diarra consiguió consolidarse de nuevo como un gran jugador llegando a los ojos de grandes clubes como el Real Madrid o el Chelsea de nuevo. Debutó con el Real Madrid el 4 de enero de 2009 en el partido que enfrentaba a su equipo con el Villarreal.