Le , Renan Lodi rejoint l'Europe et l'Espagne, en signant un contrat de six ans avec l'Atlético de Madrid, le montant du transfert est estimé à 20 millions d'euros. Il joue son premier match pour le club le face au Getafe CF, lors de la première journée de la saison 2019-2020 de Liga. Titulaire ce jour-là, Lodi se fait expulser après avoir écopé d'un second carton jaune. Malgré cela l'Atlético parvient à s'imposer (1-0).