Zadebiutował 15 stycznia 2005 w wygranym 2:0 meczu ligowym z FC Metz, wchodząc na boisko w 77. minucie. Asystował przy drugiej bramce, strzelonej przez Bryana Bergougnouxa. Pięć dni później, w wieku 17 lat, podpisał swój pierwszy profesjonalny kontrakt, wiążąc się z klubem na okres trzech lat. W sezonie 2004/2005 rozegrał w sumie sześć spotkań i zwyciężył z klubem w rozgrywkach. W tym samym sezonie zdobył również z drużyną U-18 mistrzostwo w tej kategorii wiekowej.
Olympique Lyon 2005/2006 i 2006/2007 W nowym sezonie trener Gérard Houllier wystawiał Benzemę na skrzydle. W marcu w wygranym 3:1 meczu z AC Ajaccio strzelił swoją pierwszą bramkę w lidze. 6 grudnia 2005 zadebiutował w Lidze Mistrzów, w zakończonym zwycięstwem 2:1 spotkaniu z Rosenborgiem Trondheim, w którym to w 33. minucie wpisał się na listę strzelców. Olympique zdobyło mistrzostwo Francji, a Benzema wystąpił w 13 meczach i strzelił jednego gola.