18 августа 2011 года Фалькао перешёл в испанский клуб «Атлетико Мадрид», заплативший за трансфер форварда 40 млн евро. 22 августа Фалькао был официально представлен в качестве нового игрока «Атлетико Мадрид». На стадионе «Висенте Кальдерон» собрались около 10 000 болельщиков, бурно приветствовавших футболиста. Сам Фалькао заявил: «Выступления в составе „Атлетико“ являются новым вызовом в моей карьере. Ведь я начинаю играть в такой команде и в таком чемпионате, как Ла лига. Мои выступления за „Порту“ являются уже достоянием прошлого; в данный момент я полностью сконцентрирован на „Атлетико“. Должен сказать, что я был очень впечатлён болельщиками „Атлетико“, когда играл на этом стадионе в составе „Порту“. Эта поддержка нам будет нужна в течение сезона. Я сам хочу сделать для команды всё, что в моих силах» 18 сентября Радамель сделал хет-трик в матче с сантандерским «Расингом». Также Радамель оформил хет-трик в матче с «Реалом Сосьедадом», тогда Атлетико победил в гостях 4:0. 9 мая 2012 года в финале Лиги Европы УЕФА Фалькао сделал дубль в ворота «Атлетик Бильбао», завоевал второй за два года кубок Лиги Европы УЕФА и второй раз подряд стал лучшим бомбардиром этого турнира (с результатом в 12 голов). Всего за сезон форвард забил 35 голов. В бомбардирской гонке Примеры Фалькао вошёл в тройку лучших бомбардиров, пропустив вперёд себя лишь лучших футболистов мира Криштиану Роналду и Лионеля Месси, в следующем году повторив данный результат. В сезоне 2012/13 Фалькао за 4 дня оформил два хет-трика. Первый состоялся во втором туре испанского чемпионата в матче с финалистом Лиги Европы УЕФА 2011/12 «Атлетик Бильбао» (27 августа 2012), второй — в матче за Суперкубок УЕФА c победителем Лиги чемпионов УЕФА 2011/12 лондонским «Челси» (31 августа 2012). Фалькао стал первым футболистом, оформившим хет-трик в новом формате Суперкубка УЕФА (один матч с 1998 года), и первым, кто это сделал после Терри Макдермотта, забившего три мяча во втором матче Суперкубка УЕФА 1977 года. 9 декабря 2012 года Фалькао забил пять мячей в ворота «Депортиво». - @corneritofc