Filipe Luis verruilde Deportivo in 2010 voor Atlético Madrid. Hiervoor speelde hij in de volgende vier seizoenen meer dan honderdvijfentwintig competitiewedstrijden. Hij won met Atlético in 2012 de UEFA Super Cup, in het seizoen 2011/12 de UEFA Europa League, in 2012/13 de Copa del Rey en in 2013/14 het Spaanse landskampioenschap. Hij behaalde in 2013/14 ook de finale van de UEFA Champions League met de club, maar verloor daarin van Real Madrid.