Από το 2011 κοουτσάρει με μεγάλη επιτυχία την Ατλέτικο Μαδρίτης. Ο Ντιέγκο Σιμεόνε έχει καταστήσει τους "ροχιμπλάνκος" μία από τις μεγάλες δυνάμεις του ευρωπαϊκού ποδοσφαίρου και ο ίδιος δεν δείχνει διάθεση, τουλάχιστον στην παρούσα φάση, να φύγει από το "Ουάντα Μετροπολιτάνο".

Ο Αργεντινός τεχνικός ανανέωσε το συμβόλαιό του μέχρι το 2022, δείχνοντας την πίστη του στην ομάδα της Μαδρίτης. Το προηγούμενο συμβόλαιο έληγε το 2020 και πλέον το επέκτεινε για δύο ακόμη χρόνια.

Ο 48χρονος προπονητής, ο οποίος έγινε για πέμπτη φορά πατέρας, είναι ο πιο επιτυχημένος κόουτς στην ιστορία της Ατλέτικο, έχοντας κατακτήσει επτά τίτλους. Ανέλαβε την ομάδα τον Δεκέμβριο του 2011 και κατέκτησε το Europa League το 2012, όταν η ομάδα του επικράτησε 3-0 της Αθλέτικ Μπιλμπάο στο Βουκουρέστι.

Τρεις μήνες μετά, η Ατλέτικο κατέκτησε το ευρωπαϊκό Super Cup με το 4-1 σε βάρος της Τσέλσι, στο Μονακό. Το 2012-2013, οδήγησε την ομάδα του στην κατάκτηση του Copa del Rey, με το 1-2 απέναντι στη Ρεάλ Μαδρίτης, στο Σαντιάγκο Μπερναμπέου.

Τον Μάιο του 2014 καταγράφηκε η πολύ μεγάλη επιτυχία, με την κατάκτηση του τίτλου στην Primera Division. Τον Αύγουστο του 2014 πήρε το Super Cup Ισπανίας, έχοντας αντίπαλο τη Ρεάλ Μαδρίτης. Τον Μάιο του 2018 οδήγησε την Ατλέτικο και σε δεύτερη κατάκτηση Europa League, με το 3-0 απέναντι στη Μαρσέιγ στη Γαλλία.