La temporada 2019-20 significó un recambio generacional en el equipo, con los ya veteranos jugadores Diego Godín, Filipe Luis y Juanfran abandonando el equipo. En la temporada 2015-16, el Atlético incorpora a su plantilla jugadores como el defensor montenegrino Stefan Savić, el extremo belga Yannick Ferreira Carrasco, la joven promesa argentina Luciano Vietto y el delantero colombiano Jackson Martínez, además del regreso de Filipe Luis del Chelsea. Aun así, el gran fichaje del equipo sería la joven promesa portuguesa João Félix, del Benfica, con el club desembolsando más de 120 millones de euros, con el objetivo de reemplazar a Griezmann. Para reemplazarlos, el Atlético fichó al joven lateral brasileño Renan Lodi, al lateral inglés Kieran Trippier del Tottenham Hotspur, a la joven promesa Marcos Llorente (de los rivales Real Madrid), y tuvo el retorno de Yannick-Ferreira Carrasco, tras su paso por China. Simeone admitió que tuvo un error al forzar a su delantero estrella, el brasileño Diego Costa, a que iniciara el partido, ya que venía con lesiones y tuvo que ser sustituido después de 8 minutos de juego.
En la final, el Atlético de Simeone debió enfrentar de nuevo al Real Madrid, el cual finalmente logró levantar su undécimo título de campeón de Europa tras ganarle al conjunto colchonero 5-3 en la definición por penales luego de igualar 1 a 1 en los 90 minutos reglamentarios y en los 30 minutos de tiempo extra. Este título transformó a Diego Simeone en el entrenador con más logros oficiales en la historia del Atlético de Madrid, con 7 títulos ganados, superando por 1 a Luis Aragonés. El último partido de la temporada europea, la final de la Liga de Campeones, se disputó el 24 de mayo de 2014, donde el Atlético enfrentaba a los rivales de la ciudad, el Real Madrid, dirigidos por Carlo Ancelotti y liderados por el delantero portugués Cristiano Ronaldo y el defensor y capitán español Sergio Ramos. Simeone guio al equipo a los octavos de final de la Liga de Campeones por sexta vez desde que asumió en 2011, mientras que antes de su arribo el Atlético solo lo había conseguido siete veces en 60 años. El 21 de junio de 2011, Simeone fue designado como director técnico de Racing Club, reemplazando a Miguel Ángel Russo.
El 17 de junio en el partido contra Brasil por la Copa América 2015 al finalizar el partido le dio un empujón a Neymar por propinar un pelotazo a Pablo Armero mientras celebraba el triunfo y un posterior cabezazo al defensor central Jeison Murillo donde se formó un gresca por lo que Robinho le rompió la camiseta para luego ser expulsado por el árbitro. El 26 de junio de 2016, Brocchi renuncia a su cargo en el club. El 27 de febrero de 2016, gana por tercera vez consecutiva al Real Madrid en el Estadio Santiago Bernabéu (0-1 con gol de Griezmann) en el campeonato de Liga, siendo el primer entrenador en la historia que consigue este logro. En el verano del 2016, el Atlético fichó al delantero franco-portugués Kevin Gameiro del Sevilla, al volante argentino Nicolás Gaitán del Benfica, y el defensor Šime Vrsaljko del Sassuolo. A pesar de las altas expectativas por liga, el equipo volvió a acabar segundo por detrás del Barcelona (con 11 puntos de diferencia) y por delante del Real Madrid. Sin embargo, el Atlético perdió en la tercera jornada ante el Barcelona por 1-2 y volvió a caer en la sexta fecha ante el Villarreal.
El 15 de agosto de 2018 Simeone se coronó campeón de la Supercopa de Europa al ganarle a su archirrival Real Madrid por 4-2, logrando la tercera victoria en finales en cinco jugadas contra su clásico rival de ciudad. El 17 de mayo de 2013, el Atlético se proclama campeón de la Copa del Rey 17 años después tras vencer al Real Madrid por 1-2. Los eternos rivales de ciudad volvieron a cruzarse en un derbi en la final de Copa, y otra vez en el Estadio Santiago Bernabéu, y el Atlético doblegó al Real por 2 a 1 en la prórroga. También fue la primera vez que un club de la ciudad de Múnich fue campeón nacional. Así, el equipo colchonero obtuvo su 10.ª Copa del Rey en la historia, bajo la dirección de Simeone, nada menos que ante su clásico rival, y otra vez en su estadio. El Milan no volvió al campo en forma de protesta, una vez solucionado el problema técnico, por lo que se le imposibilitó la participación en Europa al año siguiente.