Pierwszego gola w hiszpańskiej ekstraklasie zdobył 16 kwietnia, ustalając na 2:0 wynik wygranego spotkania z SD Eibar.
Real Madryt 14 lipca 2017 Real Madryt potwierdził transfer Ceballosa, który podpisał z klubem sześcioletni kontrakt. Według nieoficjalnych informacji kwota transferu miała wynieść około 18 milonów euro. W nowych barwach zadebiutował 16 sierpnia tego samego roku, zmieniając Toniego Kroosa w 80. minucie wygranego 2:0 meczu rewanżowego Superpucharu Hiszpanii z FC Barceloną. 23 września po raz pierwszy wyszedł w wyjściowym składzie i jednocześnie zdobył swoją pierwszą bramkę podczas wygranego 2:1 meczu z Deportivo Alavés.
W sezonie 2017/18 Ceballos zaliczył w sumie cztery występy w Lidze Mistrzów UEFA, pomagając klubowi zdobyć trzeci z rzędu i trzynasty w całej historii tytuł mistrzowski. 13 stycznia 2019 po 15 minutach przebywania na boisku, podczas których był wygwizydwany przez kibiców swojego byłego klubu, zdobył bramkę z rzutu wolnego, ustalając w ostatniej minucie wynik spotkania z Betisem na 2:1.
Wypożyczenie do Arsenalu 25 lipca 2019 angielski klub Arsenal poinformował o rocznym wypożyczeniu Ceballosa, który przejął na koszulce numer 8, wcześniej należący do Aarona Ramseya.