Στις 30 Απριλίου 2015, ο Λούκα Ντόντσιτς έκανε ντεμπούτο με τη φανέλα της Ρεάλ Μαδρίτης σε αγώνα εναντίον της Μάλαγα, σκοράροντας αμέσως ένα τρίποντο από τη γωνία.

Αποχώρησε το 2018 ως πολυτιμότερος παίκτης (MVP) της Euroleague και της Ισπανικής λίγκας (Endesa League), κατακτώντας και τους δύο τίτλους εκείνη τη σεζόν. Αγωνίστηκε σε 80 παιχνίδια στην Euroleague και 123 στις εγχώριες διοργανώσεις, αφήνοντας ανεξίτηλη τη «σφραγίδα» του.

Παρά την αποχώρησή του από τη Μαδρίτη, συνεχίζει να αλληλεπιδρά με πρώην συμπαίκτες στα social media και να παρακολουθεί τα παιχνίδια της Ρεάλ σε μπάσκετ και ποδόσφαιρο. Σε συνέντευξή του στη Wall Street Journal, ξεκαθάρισε ότι δεν σκοπεύει να αγωνιστεί μέχρι τα 41, όπως ο ΛεΜπρόν Τζέιμς, αλλά θέλει να αποσυρθεί νωρίτερα, ιδανικά με τη Ρεάλ: «Χωρίς αμφιβολία. Με μεγάλωσαν».

Η επιστροφή του στην Ευρώπη δεν αναμένεται για περίπου μια δεκαετία, αλλά αν συμβεί, θα έχει τεράστια συναισθηματική και αθλητική επίδραση, θυμίζοντας την περίπτωση του Άρβιντας Σαμπόνις, που επέστρεψε στη Ζαλγκίρις σε μεγάλη ηλικία και κατέκτησε το MVP της Euroleague παρά τους τραυματισμούς.