Atlético var nära att ta ledningen redan i den 22:a minuten då Fernando Torres nickade bollen i stolpen från nära håll efter en hörna.
Drygt tio minuter senare skulle dock Atlético har mer tur med stolparna. Yannick Carrasco tog sig fram i en kontring och avlossade ett skott som gick in i mål till 1-0 via Manuel Neuers vänstra stolpe, ett mål som skulle visa sig bli matchens enda.
I den 84:e minuten fick Atlético ett gyllene läge att öka ledningen då man fick straff efter att Arturo Vidal fällt Felipe Luis i straffområdet. Antoine Griezmann sköt dock straffen i ribban.
Bayern lyckades inte få till en kvittering och matchen slutade 1-0 till Atlético, som nu går upp på sex poäng efter två matcher i gruppen.
Startelvor:
Atlético: Oblak - Juanfran, Godin, Savic, F. Luis - Gabi, Saul, Koke, Carrasco - Torres, Griezmann.
Bayern: Neuer - Lahm, Boateng, Javi Martinez, Alaba - Alonso, Vidal, Thiago - Müller, Lewandowski, Ribery.