Dopo essere stato richiamato in prestito dal Real Madrid, il 20 settembre 2020, Ødegaard ha iniziato la partita di apertura del club della La Liga 2020/21
in trasferta contro la Real Sociedad, in pareggio 0 a 0. Il 25 novembre, ha fatto il suo debutto in Champions League per il Real Madrid in una vittoria di 2 a 0 contro l'Inter di Milano.