Sezon 2011/2012 W dniu 25 sierpnia 2011 zadebiutował w wygranym 4:0 meczu Ligi Europejskiej z Vitória de Guimarães. Trzy dni później zadebiutował w La Liga w meczu z Osasuną, zachowując czyste konto. Został on pierwszym bramkarzem drużyny. 26 listopada 2011 otrzymał pierwszą czerwoną kartkę w karierze w meczu derbowym z Realem Madryt. Już w pierwszym sezonie pobytu na Estadio Vicente Calderón bramkarz zdobył trofeum Ligi Europejskiej. W finale Atletico pokonało Athletic Bilbao 3:0.
Sezon 2012/2013 Courtois został wypożyczony na sezon 2012/2013. W pierwszym meczu nowego sezonu zagrał przeciwko Chelsea w meczu o Superpuchar Europy, a drużyna z Hiszpanii wygrała 4:1. W dalszej części sezonu Belg ustanowił rekord Atletico w meczach bez wpuszczonej bramki na swoim boisku. Passa ta trwała do meczu z Realem Sociedad, w którym Atletico przegrało 0:1. Wraz z klubem wygrał rozgrywki Pucharu Króla, pokonując w finale Real Madryt 2:1. Courtois został wybrany zawodnikiem tego meczu.