Zur Saison 2010/11 wechselte er für eine Ablöse von ca. 8 Millionen Euro zu Atlético Madrid. Godín unterschrieb beim Hauptstadtklub einen Vertrag über fünf Jahre. Nach Ende der Saison 2018/19 wird er Atlético Madrid verlassen. Bereits im August 2010 konnte er dort mit dem Sieg im UEFA Super Cup seinen ersten Titelgewinn mit Atlético feiern. Es folgte 2011/12 der Triumph in der UEFA Europa League. In der Saison 2012/13 gewann er mit seinen Mitspielern zu Beginn den UEFA Super Cup 2012 und später die Copa del Rey.