לאחר חתימתו של קורטואה בצ'לסי, הושאל השחקן לאתלטיקו מדריד במשך שלוש עונות, וזכה עמה בליגה האירופית (לאחר ניצחון 0–3 במשחק הגמר על אתלטיק בילבאו), בליגה הספרדית ובסגנות ליגת האלופות. לאחר שלוש עונות חזר לצ'לסי, וערך את הבכורה שלו נגד ברנלי במשחק הליגה הראשון של העונה. בעונתו הראשונה זכה עם הקבוצה באליפות אנגליה ובגביע הליגה.