urtoğlu, Münih'teki ameliyatının yanlış olduğunu iddia etti. Galatasaray resmî İnternet sitesi üzerinden Turan'ın sakatlığı için, "Sol kasığında belirgin olmak üzere çift taraflı karın kaslarının altyapışma yerinde zorlanma saptandı." açıklaması yaptı. Bu açıklamanın ardından, Turan'ın sakatlığının pubis olduğu iddia edildi. Arda yaşadığı sakatlık sebebiyle sahalardan yaklaşık 2 ay uzak kaldı. 13 Mart 2011 tarihinde, ligde oynanan ve 3-2 kaybedilen Ankaragücü karşılaşmasının son 10 dakikasında oyuna girerek 2 aylık aranın ardından ilk kez forma giydi. Ulusal basında Turan'ın Atlético Madrid ile anlaştığı haberleri yazıldı.

18 Mart 2011 tarihinde Galatasaray'ın kendi evinde Fenerbahçe'ye 2-1 kaybettiği maçın son 30 dakikasında oyuna dahil oldu. Maçın ardından verdiği röportajda, "Gelecek sezon bu statta mücadele edecek arkaşlarıma Allah kolaylık versin" şeklindeki açıklaması, ulusal basın tarafından ayrılık işareti olarak yorumlandı. Ayrıca üst üste başarısız sonuçlar alan Galatasaray, bu maçında kaybedilmesinin ardından teknik direktör Hagi'nin yerine antrenör Bülent Ünder'i sezon sonuna kadar takımın başına getirdi. 4 Nisan 2011 tarihinde Antalyaspor ile karşılaşan Galatasaray maçı 3-0 kaybederken, Arda uzun bir sakatlık döneminin ardından ilk kez ilk on birde şans buldu. 18 Nisan 2011 tarihinde ligde 3-2 kazanılan Manisaspor karşısında 2 gol atarak galibiyette önemli bir rol oynadı. Bu maçla birlikte, Galatasaray'da 4. kez bir maçta 2 gol atma sevincini yaşadı. Ayrıca bu sezon sarı-kırmızılı forma ile ligdeki ilk golünü attı. Galatasaray ise 6 maç aranın ardından ligde galip gelmeyi başardı. Turan, 20 Mayıs 2011 tarihinde ligde 2-0 kazanılan Konyaspor maçıyla birlikte sezonun son resmî karşılaşmasına çıktı ve böylece Galatasaray formasıyla da son maçını oynadı. Takımıyla mücadele ettiği hiçbir organizasyonda şampiyonluğa ulaşamadı. Galatasaray tarihinin en kötü sezonlarından birini geçirerek ligi eksi averajla 7. sırada tamamladı. Galatasaray, 9 Ağustos 2011 tarihinde Atlético Madrid ile Arda Turan transferi için görüşmelere başlandığını resmî İnternet sitesi aracılığıyla kamuoyuna duyurdu. Birkaç saat sonra ise €12.000.000 transfer bedeli, €1.000.000 bonus ve gelecekte Türkiye'ye transferi durumunda Galatasaray'a öncelikli alım hakkı tanınması şartlarıyla transfer görüşmelerinin olumlu sonuçlandığını bildirdi. 11 Ağustos 2011 tarihinde ise Arda Turan bir basın toplantısı düzenleyerek Galatasaray'a veda etti.

Turan, 2010-11 sezonunda ağır sakatlıklar yaşadı ve birçok maçta forma giyemedi. Ligde 12 maçta oynadı. İlk on birde başladığı 8 karşılaşmada 817 dakika süre alırken toplam 2 gol kaydetti. Türkiye Kupası'nda 3 maça çıktı. 2 maçta ilk on birde sahaya çıktı ve 224 dakika süre aldı. Toplam 1 gol attı. Avrupa Ligi'nde oynadığı 4 maçın tamamında ilk on birde başladı. 352 dakika süre alırken toplam 3 gol kaydetti.

Turan, 12 Ağustos 2011 tarihinde İspanyol kulübü Atlético Madrid ile 4 yıllık resmî sözleşme imzaladı. Her sezon için €2.500.000 ücret alacağı açıklandı. 16 Ağustos 2011 tarihinde, Vicente Calderón Stadyumu'nun VIP salonunda basına tanıtıldı. Burada yaptığı açıklamada, "Gol atmak veya asist vermek elbette çok önemli ama ben her maçta forma giyip, takım için mücadele etmeyi, önce takımın parçası olmayı her şeyden önce görüyorum" ifadelerini kullandı. Atlético Madrid Sportif Direktörü José Luis Caminero, Arda'yı "dinamik, arzulu ve son paslarda başarılı bir futbolcu" olması sebebiyle transfer ettiklerini açıkladı. Turan, yapılan tanıtımın ardından Atlético forması ile taraftarların hazır bulunduğu sahaya çıktı ve basına karşı fotoğraf çektirdi. İlk sezonda 11 forma numarasını aldı.

La Liga'da, 28 Ağustos 2011 tarihinde oynanan ve 0-0 biten Osasuna maçının 61. dakikasında Eduardo Salvio'nun yerine oyuna dahil oldu ve Atlético Madrid forması ile ilk maçına çıktı. Bu takımdaki ilk resmî golünü ise bir Avrupa kupası maçında attı. 30 Kasım 2011 tarihinde, Avrupa Ligi'nde Celtic ile oynanan karşılaşmanın 30. dakikasında, maçtaki tek golü atarak takımına 3 puanı kazandıran isim oldu. 11 Aralık 2011 tarihinde, ligde oynanan ve 4-2 kaybedilen Espanyol karşılaşmasında, Atlético formasıyla La Liga'daki ilk golünü attı. 15 Aralık 2011 tarihinde, Avrupa Ligi'nde 3-1 galibiyetle sonuçlanan Stade Rennais maçında takımının son golünü attı. Atlético yönetimi, 8 Aralık 2011 tarihinde 2-1 kaybedilen Albacete Balompié maçının ardından, teknik direktör Gregorio Manzano'nun görevine son verdi ve yerine Arjantinli Diego Simeone'yi getirdi. 22 Nisan 2012 tarihinde, 3-1 kazanılan Espanyol karşılaşmasında 2 gol attı. Bu gol, bu sezon attığı son resmî gol oldu. Ligde attığı toplam 3 golün tamamını Espanyol ile yapılan iki maçta kaydetti. 9 Mayıs 2012 tarihinde, takımının 3-0 kazanarak şampiyon olduğu 2012 UEFA Avrupa Ligi Finali'nde 90 dakika forma giydi. Maçta Radamel Falcao'nun attığı 2. golün pasını verdi. Böylelikle kariyerinde ilk defa bir Avrupa kupası finalinde forma giyerek şampiyonluk sevinci yaşadı. Turan, Atlético ile yaşadığı bu şampiyonlukla birlikte, Türkiye dışından bir kulüple Avrupa Ligi şampiyonluğu yaşayan ikinci Türk futbolcu oldu. Atlético, ligi Avrupa Ligi'ne katılma hakkı elde edecek bir pozisyonda tamamladığı için, Turan'ın transferinde yapılan sözleşme gereği, Galatasaray'a fazladan €500.000 daha ödeme yaptı.

Turan, Atlético'daki ilk sezonunda ligde toplam 33 maçta forma giydi. Bu maçların 24'ünde ilk on birde sahaya çıktı. 2157 dakika süre alırken toplam 3 gol attı. Takımı ligi 5. sırada tamamladı ve Avrupa Ligi'ne katılım hakkı kazandı. Avrupa Ligi'nde ise takımıyla 12 maçta forma giydi. Bunların 10'unda ilk on bir başladı. Sahada 874 dakika kaldı ve 2 gol attı. Takımı ile Avrupa Ligi'nde şampiyonluğa ulaştı. Sezon boyunca toplam 6 asist yaptı ve takımının asist kralı oldu. 2011-12 sezonunda gösterdiği performans nedeniyle, İspanyol basını tarafından yılın en kârlı transferi olarak nitelendirildi.

Yeni sezon öncesinde basına açıklamalarda bulunan Turan, yeni sezonda daha büyük bir takımda oynayabileceğini söyledi. Ayrıca yaptığı açıklamada, ilk sezonunda Simeone'nin taktik bilgisini geliştirdiğini ve hücumda mücadele ederken bile defansa gelmesi gerektiğini öğrettiğini söyledi. Sezonun ilk maçına 20 Ağustos 2012 tarihinde, Levante ile oynanan ve 1-1 eşitlikle sona eren La Liga maçında çıktı. Karşılaşmanın 22. dakikasında attığı gol ile takımına 1 puanı kazandıran isim oldu. Böylece 2012-13 sezonunda hem kendisinin hem de takımının ilk resmî golünü attı. Levante'ye attığı bu gol La Liga'da haftanın golü seçildi. 31 Ağustos 2012 tarihinde, Chelsea ile oynanan ve 4-1 Atlético Madrid'in galibiyeti ile sonuçlanan Süper Kupa maçında 90 dakika forma giydi. Maçta Falcao'nun attığı üçüncü golün pasını verdi. Kariyerinde ilk defa forma giydiği UEFA Süper Kupası'nda Atlético ile şampiyonluk sevinci yaşadı. Atlético teknik direktörü Simeone maçtan sonra verdiği röportajda, Turan'ın çok teknik ve büyük bir oyuncu olduğunu söyledi. Rayo Vallecano ile 16 Eylül 2012 tarihinde oynanan ve 4-1 kazanılan lig maçında takımının 3. golünü attı. 11 Kasım 2012 tarihinde Getafe ile oynanan ve 2-0 kazanılan lig maçında, takımını 2-0 öne geçiren golü kaydetti. Bu maçtan 1 hafta sonra ligde Granada ile oynanan karşılaşmada, takımına galibiyeti getiren tek golü attı.

Ara transfer dönemine doğru birçok basın organı tarafından, Turan'ın İtalyan kulüplerinden Internazionale Milano'ya transfer olacağı iddia edildi. Ancak Turan, ara transfer döneminde takımda kaldı.

17 Mayıs 2013 tarihinde, Real Madrid'e karşı oynanan ve 2-1 galibiyetle sonuçlanan Copa del Rey Finali'nde 110 dakika forma giydi. Atlético Madrid uzatmalarda bulduğu golle kupayı kazandı. Arda böylece, takımıyla bu sezonki ikinci kupasını kazanırken, kariyerinde ilk defa Copa del Rey şampiyonluğuna ulaştı. 19 Eylül 2013 tarihinde Atlético ile olan sözleşmesini 2017 yılına kadar uzattı. Yeni sözleşmesiyle beraber yıllık maaşını yaklaşık €1.000.000 artırırken, serbest kalma ücreti Atlético tarafından €41.000.000 olarak belirlendi. Böylelikle Turan'ın değeri 3 yılda yaklaşık 3,5 kat artmış oldu. 1 Haziran 2013 tarihinde, Real Betis ile oynanan ve 3-1 galibiyetle sonuçlanan lig maçında takımını 1-0 öne geçiren golü attı. Bu gol bu sezon attığı son resmî gol oldu.

Turan, 2012-13 sezonunda ligde 32 maçta forma giydi. 26 maçta sahaya ilk on birde çıktı. 2171 dakika süre alırken toplam 5 gol attı. Takımı ligi 3. sırada tamamlayarak Şampiyonlar Ligi'ne katılma hakkı kazandı. UEFA Süper Kupası'nda kariyerinde ilk kez forma giydi ve şampiyonluk sevinci yaşadı. Copa del Rey'de toplam 7 maça çıktı. 572 dakika sahada kalmasına rağmen golle tanışamadı. Ancak sezon boyunca forma giydiği tüm organizasyonlarda attığı 5 gol ile takımının en çok gol atan 3. oyuncusu oldu. Avrupa Ligi'nde ise Rubin Kazan ile oynanan maçta 90 dakika sahada kaldı. Bu maç onun bu sezon oynadığı iki Avrupa kupası maçından birisi oldu. Takımı ile 2012-13 sezonunda toplam 2 kupa şampiyonluğu yaşadı.

2013-14 sezonunun ilk resmî maçına, 19 Ağustos 2013 tarihinde Sevilla ile oynanan ve 3-1 galibiyetle sonuçlanan lig karşılaşmasında çıktı. Bu maçtan 6 gün sonra ligde Rayo Vallecano ile oynanan ve 5-0 kazanılan maçta, kendisi adına sezonun ilk resmî golünü attı. Ayrıca bu maçta atılan 2 golünde pasını veren isim oldu. Gösterdiği bu performans ile İspanyol basının tarafından haftanın en iyi futbolcusu seçildi. 29 Ağustos 2013 tarihinde, Copa del Rey Finali'nde 0-0 eşitlikle biten Barcelona maçında yaklaşık 70 dakika forma giydi. Maçın uzatma dakikalarında, yedek kulübesinden maçın yan hakemine itiraz etmesi sebebiyle direk kırmızı kart gördü. Bu kart Atlético kariyerinde gördüğü ilk kırmızı kart oldu.
18 Eylül 2013 tarihinde Şampiyonlar Ligi G Grubu'nda, FK Zenit takımıyla oynanan ve 3-1 galibiyetle sonuçlanan karşılaşmada takımını 2-1 öne geçiren golü attı. Böylelikle kariyerinde ilk defa Şampiyonlar Ligi'nde gol atmış oldu. Bu maçtan iki hafta sonra, Şampiyonlar Ligi G Grubu'nda Porto ile oynanan ve 2-1 kazan