Getafe, från södra Madrid, hade inte lyckats besegra huvudstadskonkurrenten Real sedan 2012 – fram till på söndagen.
Turken Enes Ünal frälste hemmalaget med matchens enda mål redan i den nionde minuten. Den 24-årige anfallaren bjöds på ett friläge efter att Éder Militão sjabblat med bollen vid straffområdeslinjen.
– Laget var inte detsamma som innan juluppehållet – mindre engagemang, mindre koncentration, säger tränaren Carlo Ancelotti.
– Vi förtjänade inte att förlora, men vi åkte på en förlust som kan bli en väckarklocka.
Real fick klara sig utan bland andra den brasilianske stjärnan Vinícius Júnior, som testade positivt för covid-19 i veckan.
Innan matchen mot Getafe hade Ancelottis lag elva raka ligamatcher utan förlust. Real leder La Liga med åtta poängs marginal till tvåan Sevilla, som har två matcher färre spelade.
Getafe har inte förlorat på sex raka ligamatcher, och ligger på 16:e plats.