W kwietniu 2010 przedłużył kontrakt z Realem do 2015, a w nim została zawarta klauzula odstępnego w wysokości 30 milionów euro. W ekstraklasie hiszpańskiej swój debiut zaliczył 29 sierpnia 2010 w meczu z Villarrealem (1:0). Z kolei pierwszą bramkę w Primera División zdobył 25 października 2010 w spotkaniu z Deportivo La Coruña (3:0).
Atlético Madryt 29 lipca 2014 Griezmann przeszedł do Atlético Madryt (za 30 mln euro), podpisując z nowym klubem sześcioletni kontrakt. Swój debiut w barwach Los Indios rozegrał 19 sierpnia w meczu o Superpuchar Hiszpanii z Realem Madryt, zmieniając Saúla Ñígueza w 57. minucie. Pierwszą bramkę dla klubu strzelił 17 września w przegranym 2:3 meczu fazy grupowej Ligi Mistrzów UEFA przeciwko Olympiakosowi. Pierwsze (i drugie) ligowe trafienie zaliczył 1 listopada w meczu przeciw Córdoba CF, wygranym 4:2. Debiutancki sezon w Madrycie zakończył strzelając dla Atlético łącznie 22 gole w 37 spotkaniach. Na zamknięcie rozgrywek 2014/15 ligi hiszpańskiej, został wybrany do jedenastki sezonu, jako jedyny gracz Los Indios i jeden z trzech napastników, obok Cristiano Ronaldo i Leo Messiego. 8 czerwca 2016 przedłużył umowę z Atletico do 2021 roku.
FC Barcelona 12 lipca 2019 FC Barcelona wpłaciła 120 milionów euro klauzuli odejścia Antoine'a Griezmanna.