thumb|left|Diarra przeciwko Leo Messiemu podczas El Clásico w grudniu 2011. 21 grudnia został oficjalnie piłkarzem Realu Madryt, zaś 22 grudnia odbyła się jego prezentacja na Estadio Santiago Bernabeu. W barwach klubu z Madrytu zadebiutował 4 stycznia 2009 z numerem 6 na koszulce w meczu z Villarrealem (1–0). W spotkaniu tym zaliczył asystę przy bramce Raula. Po zaledwie pół roku gry dla Realu młody Francuz został okrzyknięty następcą Claude'a Makélélé, niegdyś piłkarza Realu. Dzięki świetnej grze Lass został wybrany przez UEFA do jedenastki odkryć La LigaCasillas i Higuaín w drużynie UEFA – RealMadryt.pl.
W nowym sezonie 2009/2010 występuje z numerem 10 na koszulce. W pierwszym spotkaniu ligowym przeciwko Deportivo La Coruña strzelił debiutancką bramkę dla zespołu Los Blancos.
W sezonie 2010/2011 był raz rezerwowym, a raz graczem występującym w wyjściowej jedenastce. Był niezadowolony jednak ze swojej pozycji i wiele mówiło się o jego odejściu po sezonie.
Przed sezonem 2011/2012 negocjował z wieloma klubami m.in. z Tottenhamem, ale ostatecznie został w Madrycie i został zgłoszony do rozgrywek ligi hiszpańskiej z numerem 24, z którym w przeszłości w barwach drużyny ze stolicy występował m.in.