В августе 2010 года перешёл в «Атлетико Мадрид». Дебютировал в составе «Атлетико» в матче Суперкубка УЕФА против миланского «Интера», матч окончился со счётом 2:0 в пользу «матрасников», благодаря чему они смогли получить трофей. 1 ноября 2013 года Годин продлил контракт с клубом до 2018 года. В &lt;a href="%D0%A7%D0%B5%D0%BC%D0%BF%D0%B8%D0%BE%D0%BD%D0%B0%D1%82%20%D0%98%D1%81%D0%BF%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D0%B8%20%D0%BF%D0%BE%20%D1%84%D1%83%D1%82%D0%B1%D0%BE%D0%BB%D1%83%202013/2014"&gt;сезоне 2013/14&lt;/a&gt; Годин отличился довольной высокой, как для защитника, результативностью — уругваец забил четыре мяча в ворота соперников, в том числе и в последнем матче сезона против «Барселоны» Годину удалось сравнять счёт. Ничья позволила «Атлетико» отпраздновать свой первый чемпионский титул за 18 лет. Неделю спустя, в финале Лиги чемпионов 2014 года против мадридского «Реала», уругвайский защитник вновь забил, выведя свою команду вперёд, но «Реал» в итоге одержал победу с разгромным счётом 4:1. В 2015 году Годин отверг предложение о трансфере от «Манчестер Сити», тренером которого тогда являлся Мануэль Пеллегрини, знакомый с игроком по работе в «Вильярреале». 28 октября 2017 года, в своём 315 матче за «Атлетико», Диего стал первым иностранным игроком в истории клуба, достигшим этой отметки проведённых матчей, опередив Луиса Амаранто Переа. 14 августа 2018 года стал новым капитаном «Атлетико». 7 мая 2019 года объявил об уходе из клуба по окончании сезона 2018/19.