Scrivi una continuazione per questo paragrafo - Belözoğlu è passato all'Atlético Madrid, campione in carica della Europa League, il 29 maggio 2012. Ha firmato un contratto di due anni ed è stato accolto calorosamente dal compatriota e compagno di centrocampo Arda Turan. Il 7 luglio Belözoğlu si è allenato con i suoi nuovi compagni di squadra prima di essere svelato dall'Atlético in una cerimonia di firma tenutasi nello stadio Vicente Calderon. Ha fatto il suo debutto con l'Atlético il 1o settembre 2012 nella Supercoppa UEFA
contro il Chelsea, entrando negli ultimi tre minuti al posto di Radamel Falcao, la cui hattrick ha contribuito alla vittoria dell'Atletico 4 a 1.