El 18 de agost de 2011 va ser fixat per el club atletic de madrid per una xifra de 40 millons de euros.En aquesta venda falcao va es va convertir en la venda mes cara de la primera divisió de portugal.El dilluns 22 d'agost Falcao va ser presentat a la seua nova afició del club "vicente calderon", a la presentació van anar alrededor de unes 10.000 persones.

El 10 de semptembre Falcao va debutar en la tercera jornada de liga, era un partit contra el valencia el qual van pedre per 1-0.
 El seu primer gol va ser en la uefa contra el celtic football club.En la liga espanyola falcao es va estrenar fent un triplete contra el Racing de santander,
El 29 de març de 2012 Falcao va anotar el gol 400 en competicions europees.