Po zwolnieniu Oltry i zatrudnieniu w jego miejsce Walerija Karpina, Asensio zachował miejsce w podstawowym składzie, strzelając gole w meczach z CA Osasuną, Deportivo Alavés i Llagosterą.
24 listopada 2014 Real Madryt osiągnął z Mallorką porozumienie w sprawie transferu Asensio na Estadio Santiago Bernabéu. 5 grudnia oficjalnie poinformowano, że zawodnik podpisał z nowym klubem sześcioletni kontrakt i do zakończenia sezonu 2014/2015 pozostanie w dotychczasowej drużynie na zasadzie wypożyczenia. 21 sierpnia 2016 w swoim debiucie ligowym zdobył swoją pierwszą bramkę w barwach klubu podczas meczu z Realem Sociedad. 3 czerwca 2023 Real oficjalnie potwierdził, że wygasający 30 czerwca kontrakt z Asensio nie zostanie przedłużony. Latem 2023 roku Asensio związał się z Paris Saint Germain, z którego w lutym 2025 roku wypożyczony został do Aston Villi. We wrześniu 2025 za kwotę 7,5 mln euro przeszedł do tureckiego Fenerbahçe.
Kariera reprezentacyjna W reprezentacji Hiszpanii zadebiutował 29 maja 2016 w meczu wygranym 3:1 z Bośnią i Hercegowiną.