Belözoğlu pindah ke Atlético Madrid, juara bertahan Liga Europa pada 29 Mei 2012. Dia menandatangani kontrak dua tahun dan disambut hangat oleh rekan setim dan rekan gelandang Arda Turan. Pada 7 Juli Belözoğlu berlatih dengan rekan setim barunya sebelum diumumkan oleh Atlético dalam upacara penandatanganan yang diadakan di stadion Vicente Calderon. Dia membuat debut Atlético pada tanggal 1 September 2012 di Piala Super UEFA
melawan Chelsea, masuk untuk tiga menit terakhir sebagai pengganti Radamel Falcao yang hat-trick berkontribusi pada kemenangan 4-1 Atletico.