Lucas Hernandez dispute quatre matchs avec l'équipe première de l'Atlético de Madrid en 2014-2015. En 2015-2016, il ne fait pas partie des titulaires en début de saison et évolue alors avec l'Atlético de Madrid B ou en "Youth League". Cette situation l'amène à solliciter un départ à mi-saison, ce qui n'est pas accepté par l'encadrement madrilène. À partir de février, les blessures successives de José María Giménez, Stefan Savić et Diego Godín amènent l'entraîneur Diego Simeone à donner du temps de jeu à Lucas Hernandez, qui découvre ainsi la Ligue des champions. Titulaire lors du quart de finale aller qui oppose l'Atlético de Madrid au FC Barcelone, il dispute également la finale perdue par son club aux tirs au but (5-3) en remplaçant à la Filipe Luís.