Falcao aterrizó en el Atlético de Madrid después de haber hecho una temporada para el recuerdo con el Porto FC, equipo con el que consiguió ganar la UEFA Europa League en 2011 ante el Sporting de Braga, en un partido en el que un gol solitario del colombiano sirvió para llevarse el título. En esa misma temporada, Radamel fue premiado como el máximo goleador de la competición europea, con nada más y nada menos, que 17 goles en su cuenta particular.
No tardó mucho en despertar el interés de varios clubes, hasta que en ese mismo año decidió poner rumbo a la capital española para vestir de rojiblanco. Su fichaje se convirtió en el más caro de la historia en la primera división de Portugal; además de ser el colombiano por el cual se ha desembolsado más dinero (40 millones).
El 22 de agosto de 2011, se llevó a cabo su presentación como nuevo jugador del Atlético de Madrid en un viejo escenario muy recordado por todos los colchoneros, el estadio Vicente Calderón.
Su debut con la elástica rojiblanca tuvo que esperar hasta la tercera jornada de liga, puesto que hasta esa fecha, Falcao no disponía de los papeles pertinentes para jugar en la máxima competición española de fútbol. No resultó ser lo que habría supuesto un debut soñado, ya que no lograron la victoria en ese encuentro ante el Valencia, contra el que cayeron por 1-0 en Mestalla.
Si fue mucho mejor su debut en Europa League con el Atleti el 15 de septiembre de 2011, fecha en la que "el trigre" marcó su primer gol como colchonero en el Vicente Calderón, que esa noche acogía al Celtic FC como equipo visitante.
Tras haber logrado anotar su primer gol como atlético, Falcao se desató y en el siguiente partido que correspondía a la cuarta jornada de La Liga BBVA, marcó un "hat-trick" que llevó al éxtasis a los miles de aficionados que en ese momento se encontraban en el Calderón. Esa fue la declaración de intenciones del colombiano a todos los seguidores atléticos, que finalmente le acabaron atribuyendo el nombre de ídolo.
Con el paso de las jornadas, Radamel se iba consolidando como el goleador estrella del equipo, tal era así que en un partido de cuartos de final de la UEFA Europa League ante el Hannover, marcó el gol 400 del Atlético de Madrid en competiciones europeas. En dicha competición, "el tigre" consiguió llevar al equipo hasta la final, la cual se disputaría ante el Athletic Club de Bilbao el 9 de mayo de 2012. Ese día, el Atlético de Madrid se proclamó campeón de la Europa League gracias a los dos tantos que anotó Falcao, unos tantos que unidos al gol de Diego, consolidaron el 3-0 en el marcador final. Los rojiblancos no hubieran conseguido levantar ese título de no haber sido de los goles decisivos de Radamel Falcao, que se puso el primero en la lista de máximos goleadores del Atleti; así como también en la Europa League.
Al año siguiente, Falcao siguió con la disciplina del Atlético de Madrid, y nada más empezar la temporada, se disputó la Supercopa de Europa que enfrentaba a los rojiblancos (campeones de la Europa League) y al Chelsea (campeón de la Champions). Ese título también se lo llevarían los colchoneros que se impusieron 1-4 a los "blues", tras una exhibición más del colombiano que anotó un "hat-trick".
Los méritos y recompensas fueron llegando para Falcao, ya que el 28 de septiembre fue premiado con estar en el "Once de Oro" de la revista francesa "Onze Modial", que colocó al jugador como el tercer mejor jugador del mundo en la temporada 2011-12. También fue nominado al premio "mejor jugador del año" perteneciente a la revista "World Soccer Magazine". Y el 29 de octubre fue nominado al "Balón de Oro de la FIFA 2012", donde quedó en quinta posición.
El último título de Falcao con el Atleti aún estaba por llegar. El 17 de mayo de 2013, los rojiblancos disputaron la final de la Copa del Rey ante el Real Madrid en el Santiago Bernabéu. Dicha final fue conquistada por los colchoneros que se impusieron a los merengues por 1-2, esta vez sin goles de Falcao.
Después de tres gloriosos años como rojiblanco, Radamel Falcao puso punto y final a su etapa como jugador del Atlético marchándose al AS Mónaco, su club actual.