En el plano goleador, Llorente marcó tres goles esa temporada: dos de ellos en noviembre de 2011 frente al Getafe (victoria blanca por 5 a 1) y frente al Diocesano, en un partido que se saldó con empate a 4.Su primer partido con el conjunto madridista fue un amistoso contra el Club Deportivo Guadalajara (España), donde los madrileños se impusieron por 5 a 3.[6] En la temporada 2012-13 debutó profesionalmente con el Real Madrid Club de Fútbol "C" en la Segunda División "B".Su primer encuentro en la categoría fue en una visita al Caudal Deportivo que se saldó con empate a un gol.[9] Entró en sustitución del lesionado Iván González en la victoria por 4-0 en el Estadio Alfredo Di Stéfano.Para la temporada 2013-14 el jugador pasó a formar parte de la disciplina del primer equipo filial.El Real Madrid Castilla Club de Fútbol peleó durante esa temporada por salvarse del descenso, pero, en el último partido frente al Real Murcia Club de Fútbol se materializó el descenso del equipo.Tras la destitución de Alberto Toril, José Manuel Díaz Fernández fue desgnado nuevo entrenador.Diego Llorente decidió pronunciarse en su cuenta de Twitter sobre la situación del equipo.Durante la temporada Diego Llorente se convirtió en un habitual del once titular, jugando 31 partidos de inicio.El curso siguiente -como segundo capitán- fue de los mejores jugadores del equipo en el plano defensivo, siendo el central más utilizado por su nuevo entrenador, Zinedine Zidane marcando además tres goles.[14] Volvió a sufrir un contratiempo relacionado con su salud[15] que finalmente resultó no revestir gravedad.Unos días antes, el 11 de mayo, el jugador fue convocado con el primer equipo para un partido de Liga frente al Real Club Deportivo Español, pero finalmente no disputó ningún minuto en lo que fue su segunda convocatoria oficial.Jugó 25 minutos, pues fue suplente tras saltar al campo para el tramo final del partido.Su tercer partido oficial con la camiseta del primer equipo sería ante la Unió Esportiva Cornellà.También jugó algunos minutos en el encuentro amistoso de año nuevo frente al AC Milan.[27] Pero el premio mayor fue la llamada de Vicente del Bosque con la selección absoluta que le permitió debutar con la elástica roja en un amistoso.Allí se iba a reencontrar con José Mourinho, el entrenador que le hizo debutar con el Real Madrid.[30] Disputó doce partidos y en julio ambos clubes acordaron extender la cesión un año más.