Den 25. september 2020 skrev han under en toårskontrakt med Atlético Madrid. I sin første sesong for Atlético Madrid hjalp han klubben vinne seriemesterskapet, og ble lagets toppscorer med 21 mål. Med én seriekamp igjen å spille av 2021/22-sesongen, annonserte Atlético Madrid at Suárez forlater klubben etter endt sesong.