En 2016-2017, le club affiche quelques difficultés, notamment en championnat où il est très vite distancé par ses deux concurrents principaux le Real Madrid et le FC Barcelone. En Ligue des champions, l'Atlético sera éliminé pour la quatrième saison consécutive par le Real Madrid, après avoir atteint les demi-finales de la compétition pour la sixième fois de son histoire. L'équipe terminera troisième de Liga, après s'être battu tout au long de la saison pour une place sur le podium avec le FC Séville. En Ligue des champions, l'Atlético ne se qualifie pas pour les huitièmes de finale et est reversé en Ligue Europa, qu'elle remporte le 16 mai 2018 à Lyon face à l'Olympique de Marseille (3-0).