Marcelo llegó al Real Madrid con tan sólo 18 años, el 14 de Noviembre de 2006 como candidato a sustituir a Roberto Carlos. Debutó en el club madridista dos meses después de su llegada , el 7 de Enero de 2007 ante el Deportivo de la Coruña.

 Su primera temporada en el Real Madrid no fue la que soñaba, no brilló como se esperaba , pero parte de culpa la tuvo Fabio Capello, por no darle las oportunidades que se merecía. A pesar de no disputar todos los minutos posibles ,el brasileño ganó su primer título como jugador del Real Madrid el año en que llegó,la Liga 2006/2007.

​ La siguiente temporada, con el cambio de entrenador fue mucho mejor el rendimiento del jugador blanco. Bernd Schuster le dio más confianza y el jugador se la devolvió con buen fútbol. Conquistó por segunda vez consecutiva la Liga en su segunda temporada con el Real Madrid.

La temporada 2008/09  cambió su demarcación sobre el terreno de juego, pasando de lateral a interior izquierdo y anotó su primer gol con la camiseta del Real Madrid, fue en el Estadio El Molinón, ante el Sporting de Gijón. En la misma temporada anotó tres tantos más.La siguiente temporada,con la llegada de Manuel Pellegrini al banquillo madridista, Marcelo pasó a jugar como extremo izquierdo, posición que le benefició , ya que acabó el curso 2009/2010 con un total de 9 asistencias y 4 goles.

En 2011 Marcelo se convirtió en el tercer capitán del Real Madrid, junto a Iker Casillas y Sergio Ramos.El brasileño ejerció por primera vez como capitán en partido oficial ante Getafe el 10 de mayo de 2011.Esa misma temporada conquistó la Copa del Rey frente al FC Barcelona y finalizó la campaña con 5 goles.

En la temporada 2011-2012 disputó 42 partidos con la elástica blanca y anotó tres goles en Liga. En la siguiente temporada, 2012-13 sólo disputó 17 encuentros con el club madridista.

En el curso 2013-2014 jugó 39 partidos anotando un gol en Liga y otro en la final de la Champions que se disputó en Lisboa.

El 28 de mayo de 2016,conquistó la undécima Copa de Europa y los técnicos observadores de la UEFA lo escogieron para formar parte de los dieciocho mejores jugadores del torneo. También en el mismo año fue elegido entre los once mejores jugadores del mundo en los premios The best que conquistó su compañero Cristiano Ronaldo.

En la temporada actual , el 14 de septiembre de 2017, Marcelo renovó con el Real Madrid hasta el 30 de junio de 2022. Las lesiones han mermado su rendimiento, pero a pesar de ello es un jugador intocable para Zinedine Zidane y para el Real Madrid. Ante la UD Las Palmas la pasada jornada cumplió su partido 300 con la camiseta del Real Madrid.