Després de ser cridat de préstec pel Reial Madrid, el 20 de setembre de 2020, Ødegaard va començar el partit d'obertura del club de la Lliga 2020/21
temporada fora a la Real Sociedad, en un empat de 0 a 0. El 25 de novembre, va debutar a la Lliga de Campions amb el Reial Madrid en una victòria de 2-0 sobre l'Inter de Milà.