اكتب استمرار لهذه الفقرة - انتقل بيلوزوغلو إلى أتلتيكو مدريد، بطل دوري أوروبا في 29 مايو 2012. وقع عقد لمدة سنتين واستقبله بشدة زميله وشريكه في خط الوسط اردا توران. في 7 يوليو تدرب بيلوزوغلو مع زملائه الجدد قبل أن يكشف عنه أتلتيكو في حفل توقيع عقد في ملعب فيسنتيه كالديرون. ظهر لأول مرة مع أتليتيكو في 1 سبتمبر 2012 في كأس السوبر الأوروبي.
ضد تشيلسي، يدخل للدقائق الثلاثة الأخيرة بدلاً من راداميل فالكاو الذي ساهم في فوز أتلتيكو 4-1.