Den portugisiske midtstopperen skal skrive under en toårskontrakt, ifølge klubbenes nettsteder.
Spanske medier melder at prislappen er på drøyt 63 millioner kroner.
Kun legesjekken og Carvalhos personlige kontrakt gjenstår før han er gjenforent med manager Jose Mourinho, denne gang i Spania. Carvalho vant mesterligaen med Mourinho i 2004, før han ble med på landsmannens flyttelass fra Porto til London. Nå går ferden til Santiago Bernebeu.
Carvalho har seks sesonger, 210 kamper og elleve mål bak seg i London-laget. Han vant serien tre ganger i tillegg til at han fikk med seg to FA Cup-titler og to triumfer i ligacupen.
Chelsea vil takke Riccy for seks års tjeneste og ønsker ham lykke til videre i karrieren, heter det på Chelseas nettsted.