Viết tiếp tục cho đoạn này - Belözoğlu chuyển đến Atlético Madrid, nhà vô địch đương kim của Europa League vào ngày 29 tháng 5 năm 2012. Anh đã ký hợp đồng hai năm và được đồng bào và đối tác tiền vệ Arda Turan chào đón nồng nhiệt. Vào ngày 7 tháng 7, Belözoğlu tập luyện với các đồng đội mới của mình trước khi được Atlético tiết lộ trong một buổi lễ ký kết được tổ chức tại sân vận động Vicente Calderon. Anh đã ra mắt Atlético vào ngày 1 tháng 9 năm 2012 trong UEFA Super Cup.
chống lại Chelsea, bước vào trong ba phút cuối thay cho Radamel Falcao có hat-trick đã góp phần vào chiến thắng 4x1 của Atletico.