Belözoğlu siirtyi Atlético Madridiin, joka on Euroopan liigan hallitseva mestari, 29. toukokuuta 2012. Hän allekirjoitti kaksivuotisen sopimuksen ja sai lämpimän vastaanoton maanmiehensä ja keskikentän kumppaninsa Arda Turanilta. 7. heinäkuuta Belözoğlu harjoitteli uusien joukkuetovereidensa kanssa ennen kuin Atlético paljasti hänet allekirjoitusseremoniassa Vicente Calderonin stadionilla. Hän debytoi Atléticossa 1. syyskuuta 2012 UEFA: n Super Cupissa.
Chelsea vastaan, joka astui sisään viimeisen kolmen minuutin ajaksi Radamel Falcaon tilalle, jonka hat-trick auttoi Atleticon voittoon 4-1.