Ronaldo satte inn seiersmålet hele tre minutter på overtid.
Dermed utspant det seg ville jubelscener på stadion. Ronaldo rev av seg skjorta i seiersrus og pådro seg også gult kort.
For mange trodde at Nabil El Zhar hadde sikret en overraskende Levante-seier da han scoret 2-1-målet etter 85 minutter.
Vill jubel
Men Real Madrid-stjernene ville det annerledes. I det kampen gikk inn i tilleggstiden, satte Morata inn utligningen for gjestene.
Ogs så, kort tid etter, med kampens siste spark på ballen, ordnet Ronaldo seieren med et skudd som gikk via stolpen og inn.
Dermed ville jubelen ingen ende ta hos Real-spillerne som hadde snudd kampen i løpet av få minutter.
Spilte uten Bale
Real måtte igjen klare seg uten den lårskadde stjernevingen Gareth Bale.
Trener Carlo Ancelotti valgte likevel å gjøre fem endringer fra laget som slo FC København 4-0 i mesterligaen onsdag.
Det så ut til å prege laget, som fikk en treg start. Først etter en halvtime måtte Levante-keeper Keylor Navas gjøre en redning, da han vippet bort et frispark fra Ronaldo.
Viktige poeng
Hjemmelaget tok ledelsen ved Baba Diawara i det 57. minuttet. Sergio Ramos stanget inn 1-1 fra en corner fire minutter senere.
Etter åtte kamper er hovedstadsklubben på tredje plass med 19 poeng. Det er to færre enn Barcelona og byrival Atletico, som begge har en kamp til gode på Real.