2008년 헤타페 CF 유스 팀에서 레알 마드리드로 옮겨 레알 마드리드 C에서 시작하였다. 2010년 6월에는 후베닐 A에서 34골을 넣으며 레알 마드리드 카스티야로 승격되었고, 이후 1군 팀 감독인 주제 무리뉴 감독은 모라타를 포함한 유스 팀 선수 다섯을 미국 원정에 대동하였다. 8월 15일 AD 알코르콘과의 경기는 카스티야 데뷔전이었으며, 그 경기 유일한 골로 승리에 공헌하였다.
2010년 12월 12일 레알 사라고사 전에서 1군 팀에 소집된 모라타는 후반 종료 직전 앙헬 디 마리아와 교체로 출전해 1군 팀 선수로 공식 데뷔하였다. 10일 후, 레반테 UD와의 코파 델 레이에서도 후반 77분에 교체 출전하였다. 2011년 2월 13일 데포르티보 라 코루냐 B와의 경기에서 첫 해트트릭을 기록하였다.
2010/11 시즌: 2경기 - 2군
| 대회 | 경기 | 선발 | 교체 | 득점 | 도움 |
| 라리가 | 1 | 0 | 1 | 0 | 0 |
| 코파 델 레이 | 1 | 0 | 1 | 0 | 0 |
| 합계 | 2 | 0 | 2 | 0 | 0 |
2011-12 시즌에는 17골을 기록하며 카스티야 팀의 2부 리그 승격에 공헌하였다. 라리가 1경기 출전을 덤.
2011/12 시즌: 1경기 - 2군
| 대회 | 경기 | 선발 | 교체 | 득점 | 도움 |
| 라리가 | 1 | 0 | 1 | 0 | 0 |
| 합계 | 1 | 0 | 1 | 0 | 0 |
그리고 그 시즌의 활약을 인정받아 2012-13 시즌 1군 팀 로스터에 정식으로 등록되었다. 그리고 라 리가 엘 클라시코 2차전에서는 카림 벤제마의 득점을 어시스트하는 활약을 보여주면서 모라타 본인의 이름을 세계에 널리 알렸다.
2012/13 시즌: 15경기 2골 2도움
| 대회 | 경기 | 선발 | 교체 | 득점 | 도움 |
| 라리가 | 12 | 5 | 7 | 2 | 1 |
| 챔피언스 리그 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 |
| 코파 델 레이 | 2 | 2 | 0 | 0 | 0 |
| 수페르코파 | - | - | - | - | - |
| 합계 | 15 | 7 | 8 | 2 | 2 |
13-14 시즌에는 곤살로 이과인이 나폴리로 이적하면서 벤제마의 백업 공격수로 1군에 정착했으나 딱히 좋은 활약을 보이지 못했으며, 교체로 경기에 나와도 눈에 띄는 모습을 보여주지 못했다. 리그 8골도 대부분이 시즌 막바지에 나왔을 정도. 거기에 이 때는 모라타보다 헤세 로드리게스가[1] 더 좋은 활약을 보인 탓에 모라타의 입지가 크게 줄어들었다.
2013/14 시즌: 34경기 9골 1도움
| 대회 | 경기 | 선발 | 교체 | 득점 | 도움 |
| 라리가 | 23 | 3 | 20 | 8 | 0 |
| 챔피언스 리그 | 5 | 1 | 4 | 1 | 1 |
| 코파 델 레이 | 6 | 2 | 4 | 0 | 0 |
| 합계 | 34 | 6 | 28 | 9 | 1 |
[1] 헤세는 공격수와 윙어를 모두 잘 하기 때문에 모라타보다 더 다양하게 기용할 수 있었다.