El 28 de julio de 2014, el Atlético de Madrid anunció un acuerdo con el jugador y con la Real Sociedad para ficharlo. También se estrenó anotando, el 15 de septiembre, los dos goles con los que el Atlético consiguió su primera victoria en Liga de Campeones ante el Galatasaray S. K. Una semana más tarde, repitió doblete ante el Getafe C. F., poniendo al Atlético en la cima de la liga. Una semana después, la Real consiguió una histórica clasificación para la Liga de Campeones tras vencer, de nuevo, por 2-0 a los franceses en Anoeta. Antes de esto, el Athletic se vio obligado a jugar el primer partido de Liga como local en Anoeta, donde derrotó al C. A. Osasuna por 2-0. Desde el principio de la temporada el Athletic comenzó con buen pie, el buen nivel mostrado por el equipo y la regularidad durante todo el campeonato le valieron para terminar en cuarta posición -a falta de dos jornadas- y lograr así la clasificación para el play-off de la Liga de Campeones, torneo que el club bilbaíno no disputaba desde 1998. Además, el Athletic batió su récord de puntos en Liga, al alcanzar la meritoria cifra de 70, quedándose a un punto de igualar la mejor marca histórica de un cuarto clasificado, conseguida en la temporada 2003-04 por el Real Madrid C. F..
Finalmente, permaneció en el club vasco y, en la campaña 2011-12, marcó siete goles en Liga, la misma cifra de la temporada anterior, aunque vivió una importante sequía goleadora durante casi toda la primera vuelta. El 14 de abril alcanzó su encuentro número 100 en Primera División, convirtiéndose en el quinto jugador de la Real Sociedad más joven en alcanzar dicha cifra y en el jugador europeo que no fuera español más joven en conseguirla. Al finalizar el encuentro se produjo una invasión parcial del campo por parte de la afición local, camisetas futbol que se situó en frente de la grada visitante y realizó cánticos acompañados de música en tono de burla. Griezmann no fue titular, pero saltó al campo en el minuto 57 sustituyendo a Saúl. El 27 de septiembre de 2009, en su primer partido como titular, marcó su primer gol oficial en el triunfo ante la S. D. Huesca (2-0) en Anoeta. El 3 de mayo, en las semifinales de la competición, marcó el gol decisivo contra el Bayern de Múnich en el partido de vuelta en el Allianz Arena para enviar el Atlético a la final. El 22 de agosto de 2015 anotó el único gol del Atlético de falta directa en el primer partido de la temporada 15-16 ante el recién ascendido U. D. Las Palmas.
El 13 de abril de 2016 marcó los dos goles en el partido de vuelta de cuartos de final de la Liga de Campeones ante el F. C. Barcelona, en el Estadio Vicente Calderón, que dejó fuera a los actuales campeones. En la Copa del Rey, la suerte favorecía al Athletic y le otorgaba un camino asequible hasta la final. El 30 de agosto de 2012 prorrogó su contrato por una temporada más, firmando hasta el 30 de junio de 2016 con la entidad txuri-urdin. El 5 de agosto de 2016 fue nominado, junto a Cristiano Ronaldo y Gareth Bale, a ser candidato a mejor jugador de la UEFA de la anterior temporada. En la temporada 2016-17 sus registros goleadores se vieron mermados respecto al año anterior, aunque volvió a ser el máximo goleador de la plantilla. El club rojiblanco ya habría contactaco con el entorno del jugador para conocer su predisposición a cambiar de aires, aunque de momento no hay oferta formal y sólo se trata de un mero interés. En la década de los 70 se tocó fondo al descender a la Tercera División en la temporada 1973/74, que en ese momento era la categoría de bronce del fútbol español al no existir Segunda División B, actualmente Primera Federación.