Den 11. januar 2011 ble det klart at Torres var solgt til Atlético Madrid, hvor han skrev under på en fireårskontrakt på en overgangssum verdt 4 millioner euro. Han fikk sin debut 13. januar hvor han startet i bortekampen mot Real Madrid i Copa del Rey (1–3). Han scoret sitt første mål for Atlético Madrid 21. mai samme år i kampen mot RCD Mallorca (4–3), som var 2010/2011-sesongens siste seriekamp.