פריצת הדרך באירופה (1974-1965).
בין השחקנים משמעותיים בתקופה זו בלטו חאבייר אירורטה, חוסה אאלוחיו גארטה ולואיס אראגונס. גראטה זכה 3 פעמים ברציפות בתואר ה"פיצ'יצ'י", מלך השערים, בעונות , , 1970/1971. בשנות ה-70 הגיעו מספר שחקנים ארגנטינאים, דוגמת רובן איילה, פאנאדרו דיאס ורמון "כאצ'ו" הרדיה, שהובאו על ידי המאמן הארגנטינאי חואן קרלוס לורנסו. לורנצו האמין במשמעת, זהירות ושיבוש המשחק של היריבים. הוא אמנם היה מאמן שנוי במחלוקת, אך השיטות שלו הוכיחו את עצמן כאשר אתלטיקו זכתה באליפות בשנת 1973 והעפילה אתלטיקו לגמר גביע אירופה לאלופות 1974, לאחר שניצחה את גלאטסראיי הטורקית, דינמו בוקרשט הרומנית, הכוכב האדום בלגרד היוגוסלבית ואת סלטיק הסקוטית. בגמר פגשו אתלטיקו את באיירן מינכן, שנחשבה לאחת הקבוצות הטובות בעולם. משחק הגמר הראשון נערך ב-15 במאי. בסיום 90 הדקות התוצאה עמדה על 0-0, והמשחק נכנס להארכה. בדקה ה-114, כבש לואיס אראגונס שער לזכות אתלטיקו בבעיטה חופשית, אך בדקה ה-120 בלם באיירן מינכן, הנס ג'ורג' שוורצנבק, הצליח להכניע את שוער אתלטיקו, מיגל ריינה, בבעיטה מ-30 מטרים. במשחק החוזר שנערך יומיים לאחר מכן באיירן מינכן ניצחה 4-0.
השנים הטובות ביותר של אתלטיקו הגיעו במקביל לשנים הטובות של ריאל מדריד, שהייתה יותר דומיננטית וזכתה ביותר תארים. בין השנים 1961 - 1980 זכתה ריאל מדריד 14 פעמים באליפות. אתלטיקו הייתה היריבה המרכזית שנגסה בשליטה של היריבה העירונית בספרד וזכתה בארבע אליפויות בשנים , , 1973 ו-1976. מלבדן רק ולנסיה וברצלונה זכו באליפות בתקופה זו - כל אחת פעם אחת.
תקופת לואיס אראגונס כמאמן (1987-1974).
זמן קצר לאחר התבוסה בגמר גביע אירופה לאלופות, פרש לואיס אראגונס ממשחק פעיל, ומיד מונה למאמן אתלטיקו מדריד. בסך הכל, אימן אראגונס את אתלטיקו ב-4 קדנציות שונות: 1974-1980, 1982-1987, 1991-1993, 2001-2003.
הצלחתו של אראגונס הגיעה במהירות: מאחר שבאיירן מינכן זכתה בגביע אירופה לאלופות, היא הייתה אמורה להשתתף בגביע הביניבשתי, אך בעקבות לחץ של משחקים שהיה לבאיירן, הוחלט על ידי הנהלת הקבוצה הגרמנית לא להשתתף. אתלטיקו מדריד, שהייתה סגנית גביע אירופה, הוזמנה במקום. הקבוצה שיחקה נגד אינדפנדיינטה הארגנטינאית, זוכת גביע ליברטדורס. המשחק הראשון, שנערך באצטדיון ליברטדורס דה אמריקה שבבואנוס איירס, נגמר בניצחון 0–1 לאינדפנדיינטה. המשחק השני, שנערך באצטדיון ויסנטה קלדרון, נגמר בניצחון 0–2 של אתלטיקו ובזכייה היסטורית של אתלטיקו מדריד בגביע הביניבשתי.
בשנת 1976 הוביל אראגונס את אתלטיקו לזכייה בגביע המלך, לאחר ניצחון 0–1 על ריאל סרגוסה בגמר. שנה לאחר מכן, בשנת 1977 זכתה אתלטיקו באליפות.
במהלך הקדנציה השנייה של אראגונס כמאמן אתלטיקו מדריד, בעונת 1984/1985, הגיעה הקבוצה למקום השני אך זכתה בגביע המלך. שחקן משמעותי בהישגי הקבוצה בעונה זו היה הוגו סאנצ'ס המקסיקני, שגם זכה בתואר הפיצ'יצ'י לאחר שהבקיע 19 שערי ליגה. בעקבות הצלחתו נרכש סאנצ'ס על ידי היריבה העירונית ריאל מדריד, אך למרות עזיבתו אראגונס המשיך להוביל את אתלטיקו להצלחה והיא זכתה בסופר קאפ הספרדי עם ניצחון 1–3 על ברצלונה. בעונת 1985/1986 הגיעה אתלטיקו לגמר גביע אירופה למחזיקות גביע, אך הפסידה 0–3 לדינמו קייב.
תקופת חסוס חיל (2003-1987).
בשנת 1987, הפוליטיקאי ואיש העסקים הספרדי חסוס חיל, נבחר לנשיא המועדון. בזמן בחירתו חלפו עשר שנים מאז הזכייה האחרונה של אתלטיקו באליפות, והמועדון היה נואש להצלחה בליגה. מסיבה זו, חיל הוציא כספים רבים וביצע מספר החתמות יקרות, בהן החתמתו של פאולו פוטרה, הקיצוני הפורטוגלי שהגיע מפורטו. אך למרות כל ההוצאות הגבוהות הקבוצה זכתה בשני תארים בלבד: שתי זכיות רצופות בגביע המלך, בעונות 1990/1991 ו-1991/. הכי קרוב שהגיעה אתלטיקו בשנים אלו לזכייה בתואר האליפות הייתה בעונת 1990/1991, לאחר שסיימה במקום ה-2 בליגה, 10 נקודות פחות מברצלונה של יוהאן קרויף. כל זה גרם ליחס שלילי לאופן שבו ניהל חיל את המועדון שמינה ופיטר מאמנים במהירות. בין המאמנים שמונו ופוטרו על ידי חיל היו: ססאר לואיס מנוטי, רון אטקינסון, חאבייר קלמנטה, טומיסלב איביץ', פרנסיסקו מטורנה, אלפיו באסילה וגם אחד הסמלים של הקבוצה הגדולה לואיס אראגונס. בנוסף אחד המהלכים שעשה חיל והתבררו מאוחר יותר כטעות גדולה, היה סגירת מחלקת הנוער של המועדון בשנת , שבעקבותיה עזבו שחקני נוער מבטיחים, בהם ראול בן ה-15, שעזב ליריבה העירונית ריאל מדריד.
בעונת , המועדון נאבק נגד הירידה לליגת המשנה, וניצל רק בזכות תוצאת תיקו במשחק במחזור האחרון. בעקבות המצב אליו הגיעה הקבוצה, בוצעו שינויים משמעותיים: חיל החתים את המאמן הסרבי רדומיר אנטיץ' ובחלון ההעברות עזבו שחקנים רבים את הקבוצה. הקבוצה פתחה את עונת עם המאמן החדש ושחקנים שנותרו מהעונה הקודמת (בתוכם: חוסה לואיס קמינרו, דייגו סימאונה, קיקו) לצד החתמות חדשות: מילינקו פאנטיץ', לובוסלב פנב, סנטיאגו דניה וחוסה פרנסיסקו מולינה. ובעונה זכתה סוף סוף אתלטיקו באליפות, 19 שנה מאז האליפות הקודמת, ואף השלימה דאבל כשזכתה גם בגביע המלך בעונה זו.
בעונת שיחקה אתלטיקו לראשונה בליגת האלופות. הקבוצה פתחה את העונה עם ציפיות ושאיפות חדשות, ובנוסף עם החתמות חדשות - חואן אדוארדו אסניידר שהגיע מריאל מדריד, וראדק בייבל הצ'כי שהרשים ביורו 1996, בו הגיעה נבחרת צ'כיה לגמר. אך הקבוצה אתלטיקו לא מימשה את הציפיות שתלו בה. בליגה הסיכויים לזכייה אבדו, ומליגת האלופות הקבוצה הודחה הודחו בשלב רבע הגמר לאחר צמד משחקים מול אייאקס אמסטרדם. בעונה הבאה, , ההוצאות גדלו אף יותר מההוצאות בעונות הקודמות, עם החתמות של כריסטיאן ויירי האיטלקי ושל ז'וניניו פאוליסטה הברזילאי. אף על פי שאנטיץ' הביא את תואר האליפות, הוא הוחלף לקראת סוף העונה באריגו סאקי, ש"שרד" במשרת המאמן פחות מ-6 חודשים. לאחר מכן חזר אנטיץ', שהוחלף לאחר חודשיים בלבד בקלאודיו ראניירי.
לקראת סוף שנת 1999 הושעו חסוס חיל וכל הצוות שלו על ידי פדרציית הכדורגל הספרדית המלכותית, והם נחקרו בחשד לשימוש לרעה בכספי המועדון. הממשלה מינתה את חוסה מנואל רובי לתפקיד הנשיא הזמני של המועדון. השעייתו של חיל גרמה לאי סדר במועדון, דבר שבא לידי ביטוי גם בהישגי הקבוצה. במרץ 2000, כאשר הקבוצה נמצאת במקום ה-17 ועל סף ירידה, הגיש ראניירי את התפטרותו מתפקיד המאמן. חזרתו של אנטיץ' לקבוצה לא עזרה לקבוצה בליגה, ועל אף שהגיעה לגמר גביע המלך בו הפסידה 1–2 לאספניול, היא ירדה לליגת המשנה לאחר שסיימה במקום ה-19.
אתלטיקו בילתה שתי עונות בליגה השנייה, עד שלבסוף הצליחה לחזור לליגה הבכירה, בעונת , כאשר המאמן שהחזיר אותה לליגה הראשונה היה לואיס אראגונס. שהוסיף לאמן את הקבוצה גם בעונת החזרה לליגה הראשונה והיה הראשון לתת לפרננדו טורס הצעיר לשחק בליגה, במשחק נגד ברצלונה בקאמפ נואו בו טורס הבקיע את שער השויון והציל את אתלטיקו מהפסד.
במאי 2003 הגיש חיל באופן רשמי את התפטרותו מהקבוצה.
תקופת חאבייר אגירה (2009-2006).
בשנת 2006 מונה חאבייר אגירה למאמנה של אתלטיקו מדריד. עם מינויו של אגירה, הגיע לאתלטיקו החלוץ הצעיר סרחיו אגוארו.
בחודש יולי 2007 עבר פרננדו טורס, אחד השחקנים המוכרים ביותר עם אתלטיקו מדריד, לליברפול מהפרמייר ליג, שהעבירה לאתלטיקו עבורו 26,500,000 ליש"ט. לאחר העזיבה של טורס, החתימה הקבוצה את החלוץ האורוגוואי דייגו פורלאן, שזכה בתואר הפיצ'יצ'י ובנעל הזהב האירופית בהיותו בוויאריאל. בעונת הגיעה אתלטיקו לשלב 32 האחרונות בגביע אופ"א אך הפסידה לבולטון וונדררס. הקבוצה הגיעה גם לרבע גמר גביע המלך בו הודחה על ידי ולנסיה. בעונה זו סיימה הקבוצה במקום הרביעי בליגה והעפילה למוקדמות ליגת האלופות. סרחיו אגוארו, דייגו פורלאן, סימאו והשוער לאו פרנקו החזירו את אתלטיקו למפעל הבכיר של הכדורגל האירופי מאז ההפסד ברבע הגמר לאייאקס אמסטרדם בעונת .
בעונת הגיעה הקבוצה עד לשלב שמינית גמר ליגת האלופות, בו הודחה על ידי פורטו. בגביע המלך הודחה בסיבוב ה-16 על ידי ברצלונה, שזכתה לבסוף בתואר. ב-3 בפברואר 2009, לאחר ירידה ביכולות הקבוצה, עזב המאמן חאבייר אגירה את הקבוצה. לאחר עזיבתו היה זעם ציבורי רב על התנהלות המועדון כשנטען שהבעיות של המועדון לא נגרמו מתפקודו של אגירה, אלא בשל יכולתו של החלוץ דייגו פורלאן. פורלאן עצמו התנגד לפיטורי אגירה ואמר: "פיטורי אגירה הייתה הדרך הכי קלה. אגירה לא היה הגורם לבעיות. השחקנים אשמים, אנחנו לא משחקים היטב ומבצעים המון שגיאות". לאחר פיטוריו של אגירה, מונה אבל רסינו למשרת מאמן הקבוצה.
לאחר מינויו של רסינו השיגה הקבוצה עונה נוספת את המקום ה-4 בליגה המוביל לליגת האלופות. דייגו פורלאן זכה בתואר הפיצ'יצ'י וגם בתואר נעל הזהב האירופית, לאחר שהבקיע 32 שערי ליגה באותה עונה. אתלטיקו ראתה את ההצלחה בליגה המקומית כהזדמנות לחזק את הסגל שלה. במקום השוער לאו פרנקו שעזב עלה מקבוצת הנוער שוער צעיר ומבטיח, דויד דה חאה. למרות לחץ מצד מועדונים גדולים לרכוש את פורלאן ואגוארו, החליטה אתלטיקו שלא למכור אותם ושמרה על הבסיס ההתקפי שלה, בתקווה להצלחה בעונה הבאה.
בתחילת עונת מיעטה אתלטיקו לנצח בליגה, ולאחר שהפסידה בתוצאה 0–4 לצ'לסי ב-21 באוקטובר 2009 במסגרת ליגת האלופות, עזב רסינו את הקבוצה. לאחר שלא הצליחה אתלטיקו להביא את המאמן הדני מיכאל לאודרופ, החתימה הקבוצה את קיקה סאנצ'ס פלורס למאמנה עד לסוף העונה.
ההצלחה באירופה ודייגו סימאונה (2010-).