Kranevitter tekende in augustus 2015 een contract tot medio 2020 bij Atlético Madrid, de nummer drie van de Primera División in het voorgaande seizoen. Dat betaalde circa €8.000.000,- voor hem aan River Plate. Daarbij kwamen de clubs overeen dat hij tot januari 2016 op huurbasis bij River Plate zou blijven, zodat hij daarmee het WK voor clubteams 2015 nog kon spelen. Hierop bereikten zijn ploeggenoten en hij de finale, die ze verloren van FC Barcelona. Nadat Kranevitter zich meldde bij Atlético, speelde hij dat seizoen nog acht competitiewedstrijden in de Spaanse competitie. Daarnaast debuteerde hij dat jaar in de UEFA Champions League voor de club. Atlético verhuurde Kranevitter in juli 2016 voor een seizoen aan competitiegenoot Sevilla FC.