El 21 de diciembre de 2008 se unión a las filas del club 'blanco', un fichaje que no perteneció al presidente Florentino Pérez, sino a Ramón Calderón. En su camiseta portó el nombre de 'Lass', ya que en el equipo también estaba Mahamadou Diarra. Su debut se produjo el 4 de enero en un amistoso contra Villarreal.
Las primeras sensaciones que dejó el mediocampista de contención fueron fenomenales. El Santiago Bernabéu le adoró y llegó a ser comparado con el mítico Claude Makelele. Llegó incluso a portar el '10' en su camiseta tras la partida de Wesley Sneijder del Real Madrid.
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En números concretos, Lassana Diarra disputó 117 encuentros con la camiseta merengue, siendo titular en 96. De su total de partidos, 88 fueron en Liga, 22 en Champions y 8 en Copa del Rey. Recibió 40 cartulinas amarillas y solo anotó un gol. El tanto lo firmó el 29 de agosto de 2009, en la primera jornada de Liga, ante Deportivo La Coruña (3-2). La diana significó la victoria.
Con el Real Madrid, 'Lass' conquistó tres títulos: una Liga, una Copa del Rey y una Supercopa de España.
Tras la llegada de Mesut Özil, y con Florentino Pérez nuevamente al cargo, el alemán comenzó a lucir el '10' y Diarra pasó a llevar el '24'. Su salida del equipo comenzó a negociarse, pero inicialmente no hubo acuerdo con Tottenham y Roma. El 31 de agosto de 2012 fue finalmente vendido al fútbol ruso.
