Det var Real Madrid som tog ledningen efter 16 minuter spel då Gareth Bale satte 1-0. Bara fyra minuter senare ökade hemmalaget på till 2-0 genom Marcelo.
Legia svarade dock snabbt. Efter att ha fått en straff satte Miroslav Radovic bollen i mål bakom Keylor Navas. Målet var Legias första i Champions League sedan 1995.
I minut 37 utökade Real till 3-1 genom ett skott av Marco Asensio.
I den andra halvleken fortsatte Real Madrid att göra mål. Lucas Vazquez satte 4-1 i den 68:e minuten och Alvaro Morata spikade slutsiffrorna till 5-1 med sex minuter kvar.
Segern gör också att Real Madrid utökar sitt eget rekord på mål i hemmamatcher i Champions League till 32 stycken i följd.
Resultatet gör att Real Madrid går upp på sju poäng i sin grupp, Legia har fortfarande noll poäng efter tre raka förluster.
I samma grupp slog Borussia Dortmund Sporting på bortaplan med 2-1 efter mål av Pierre-Emerick Aubameyang och Julian Weigl, och tyskarna toppar nu gruppen på målskillnad före Real.
Startelvor:
Real Madrid: Navas - Danilo, Pepe, Varane, Marcelo - Asensio, Kroos, James - Bale, Benzema, Ronaldo.
Legia Warszawa: Bereszynski, Czerwinski, Rzezniak, Hlousek - Guilherme, Jodlowiec, Odjidja, Moulin, Kucharczyk - Radovic.
Matchen startade klockan 20:45.