Bereits im Januar 2011 unterzeichnete Miranda einen Dreijahresvertrag in Spanien bei Atlético Madrid, der ab dem 1. Juli 2011 Gültigkeit besaß. Am 25. August 2011 lief er beim 4:0-Sieg im Rückspiel in den Play-offs zur UEFA Europa League gegen Vitória Guimarães erstmals für die Madrilenen auf. Sein erstes Spiel in der Primera División absolvierte er am 10. September 2011 beim 0:1 gegen den FC Valencia. Am 11. März 2012 gelang Miranda beim 2:0-Sieg gegen den FC Granada sein erstes Tor für Atlético Madrid. Zum Ende der Saison standen für Miranda wettbewerbsübergreifend 42 Einsätze zu Buche und er gewann mit dem Verein die UEFA Europa League. Als Europa-League-Sieger nahm Atlético Madrid Ende August 2012 am UEFA-Superpokal teil, in dem der FC Chelsea mit 4:1 geschlagen werden konnte. Dabei erzielte Miranda das Tor zum 4:0. In allen drei Wettbewerben spielte Miranda in 45 Partien. In der Copa del Rey erreichte er mit dem Verein das Finale, in dem der Stadtrivale Real Madrid geschlagen wurde. Dabei gelang ihm in der Verlängerung der 2:1-Siegtreffer. Während dessen verlängerte Miranda seinen Vertrag bis zum 30. Juni 2016. In der Saison 2013/14 unterlag Atlético Madrid mit Miranda in der Supercopa nach Hin- und Rückspiel mit 1:1 dem FC Barcelona. In dieser Saison kam er wettbewerbsübergreifend in 50 Partien zum Einsatz und erreichte mit Atlético Madrid das Finale in der UEFA Champions League. Dort verlor Atlético Madrid nach einer bis in die Nachspielzeit anhaltenden 1:0-Führung mit 1:4 nach Verlängerung gegen Real Madrid. Am Ende der Saison wurde Miranda mit seinem Vereinskollegen sowie Landsmann Filipe Luís und Sergio Ramos von Real Madrid zum besten Verteidiger der Liga gewählt. In der Saison 2014/15 zu 34 Einsätzen in der Copa del Rey, in der Liga und in der UEFA Champions League.