Asensio vendte tilbage til Santiago Bernabéu Stadion for 2016-17 sæsonen, og hans første konkurrencedygtige optræden fandt sted den 9. august, da han spillede de fulde 120 minutter og scorede en 25-meter indsats i en 3-2 sejr.
mod Sevilla FC i UEFA Super Cup. Han fik sin første liga start 12 dage senere, hvor han scorede det andet mål i en 3-0 sejr mod Real Sociedad.