Mariano blev definitivt forfremmet til hovedholdet af manager Zinedine Zidane den 20. august 2016, efter en rygskade til angriberen Karim Benzema. En uge senere debuterede Mariano i en 2-1 sejr over Celta de Vigo, hvor han erstattede Álvaro Morata i 77. minut. Den 26. oktober, igen fra bænken, scorede han sit første mål for "Merengues" for at afslutte en 7-1 sejr over Cultural y Deportiva Leonesa i Copa del Rey. I anden omgang tilføjede han et hat-trick til en 13<unk>2 samlet sejr, herunder et 23. sekunds mål, der var hans holds hurtigste mål i konkurrencen. Mariano scorede sit første top-flyvning mål den 10. december, udligning i en 3 <unk> 2 comeback sejr på hjemmebane mod Deportivo de La Coruña. Senere samme måned var han en del af den trup, der vandt 2016 FIFA Club World Cup.
i Japan, men optrådte ikke i nogen af Real Madrids kampe. Mariano spillede otte kampe, da Madrid vandt La Liga i 2016/17. Han var en back-up, da Madrid vandt UEFA Champions League 2016/17.