Arias tekende in juli 2018 een contract tot medio 2023 bij Atlético Madrid, de nummer twee van de Primera División in het voorgaande seizoen. Dat betaalde circa €11.000.000,- voor hem aan PSV. Hij won een maand later met Atlético de UEFA Super Cup 2018, zonder die wedstrijd zelf van de bank te komen. Zijn debuut voor de Spaanse club volgde op 1 september 2019. Hij viel toen in de 68e minuut in voor José María Giménez in een met 2–0 verloren competitiewedstrijd uit bij Celta de Vigo. Op 3 oktober 2018 speelde Arias zijn eerste internationale wedstrijd voor Atlético Madrid. Hij startte die dag in de basiself tegen Club Brugge. Op 19 januari 2019 scoorde hij voor eerst voor Atlético Madrid, in de competitiewedstrijd tegen SD Huesca (0–3). In de zomer van 2019 vertrok Juanfran bij de club, maar kreeg Arias Kieran Trippier en Šime Vrsaljko erbij als concurrenten.