2014-Weltmeister Toni Kroos erzielte den einzigen Treffer der Königlichen (35.), für den Lokalrivalen trafen Alvaro Morata (4./46.) und Antoine Griezmann (18.).
Jude Bellingham hatte in der Nachspielzeit Glück: Der Engländer grätschte Gegenspieler Ángel Correa übelst um und war mit seiner Gelben Karte noch gut bedient.
Atletico verbesserte sich durch seinen dritten Sieg auf den fünften Platz.
Nationalspieler Antonio Rüdiger spielte beim Champions-League-Gruppengegner von Union Berlin durch, Kroos wurde in der 70. Minute ausgewechselt. Real hatte den Bundesligisten am Mittwoch zum Auftakt in der Königsklasse mit 1:0 besiegt.
