Il 16 agosto 2010 viene nuovamente ceduto in prestito oneroso all'Atlético Madrid, per 1 milione di euro. Pur non avendo partecipato alla vittoria in Europa League dei "colchoneros" (in quanto iscritto alla lista UEFA per la Juventus), viene convocato a tempo di record per la Supercoppa Europea, poi vinta (2-0) contro l'Inter. In seguito il club madrileno annuncerà che Tiago non verrà riscattato (nonostante nell'anno e mezzo passato a Madrid sia stato quasi sempre titolare e abbia fornito ottime prestazioni) e quindi dovrà fare ritorno a Torino.