Atleticos brasilianske mittback Joao Miranda nickade in segermålet i 99:e minuten.
Som väntat var det mest Real Madrid vid taktpinnen. Målskytten framför andra, Cristiano Ronaldo, nickade in 1-0 på hörna i 14:e minuten. Repliken kom i den 35:e, då Diego Costa var snabbare än Michael Essien och sköt in 1-1.
Real Madrid hade det mesta av spelet, men också stolpträffarna, frustrationen och det dåliga humöret. Tränaren Jose Mourinho skickades upp på läktaren i 77:e minuten efter protester.
Real Madrid hade fina chanser även i förlängningen i jakten på kvittering, men Atleticos belgiske målvakt Thibaut Courtois radade upp strålande räddningar.
Under slutskedet höll matchen på att urarta helt. Ronaldo fick rött kort, det var fullt tumult vid avbytarbänkarna med både ledare och spelare inblandade och Atleticos-målvakten Courtois föll ihop efter att ha fått ett inkastat föremål i huvudet.
Men något mer mål blev det inte.
Laguppställningar:
Real Madrid: Diego López - Essien, Albiol, Ramos, Coentrão - Khedira, Xabi Alonso - Özil, Modric, Cristiano Ronaldo - Benzema
Atletico Madrid: Courtois - Juanfran, Godín, Miranda, Filipe Luis - Arda, Mario - Gabi, Koke, Diego Costa - Falcao