João Félix tekende in juli 2019 een contract tot medio 2026 bij Atlético Madrid. Dat betaalde een clubrecord van €126.000.000,- voor hem Benfica. Dit maakte hem daarnaast de duurste voetballer aller tijden na Neymar, Philippe Coutinho en Kylian Mbappé. Ook werd hij hiermee de duurste tiener na Mbappé en was dit de duurste transfer in de geschiedenis van zowel Benfica als Atlético Madrid. Op 18 augustus 2019 debuteerde João Félix voor Atlético Madrid, tegen Getafe in de Primera División en op 1 september 2019 volgde zijn eerste doelpunt voor de club, in de competitiewedstrijd tegen Eibar. Op 1 oktober 2019 was hij voor het eerst trefzeker in de Champions League, in de uitwedstrijd tegen Lokomotiv Moskou. In november 2019 won João Félix de Golden Boy Award, de prijs voor het grootste Europese voetbaltalent onder de 21 jaar, door o.a. Sancho en Havertz voor te blijven. Hij sloot zijn eerste seizoen in Spanje af met negen doelpunten in 36 wedstrijden.