Zur &lt;a href="Primera%20Divisi%C3%B3n%20%28Spanien%29%202015/16"&gt;Saison 2015/16&lt;/a&gt; wechselte Vietto für eine Ablöse in Höhe von mehr als 20 Millionen Euro zum Ligakonkurrenten Atlético Madrid. Er unterschrieb einen Vertrag mit einer Laufzeit bis zum 30. Juni 2020 und spielte wieder unter dem Trainer Diego Simeone, mit dem er bereits beim Racing Club zusammengearbeitet hatte. In seiner ersten Spielzeit konnte er nicht an seine erfolgreiche Zeit in Villarreal anknüpfen und erzielte in der Liga lediglich ein Tor bei 19 Einsätzen. Mit der Mannschaft erreichte er den dritten Platz in der Abschlusstabelle sowie das Finale der Champions League.