Nel 2012 torna a vestire la maglia dei "Rojiblancos". Il 31 agosto, pur non scendendo in campo, ha vinto la Supercoppa UEFA ai danni del Chelsea. In campionato, dopo un avvio molto difficile, Costa conquista la fiducia dell'allenatore Diego Simeone e diventa uno dei giocatori più importanti della squadra madrilena. Il 17 maggio 2013, dopo aver messo a segno ben 7 reti nelle partite precedenti della Coppa del Re, segna il suo ottavo gol nella finale contro il Real Madrid che permette ai "Colchoneros" di alzare la loro decima Coppa del Re e di vincere nuovamente il derbi madrileño dopo tredici anni dall'ultima vittoria, che risaliva al 3-1 del 30 ottobre 1999.