Na negentig minuten spelen stond het 2-2, waarna Saúl Níguez (98e minuut) en Koke (104e minuut) Atlético in de verlenging de zege bezorgden.
Diego Costa nam in de eerste en de 79e minuut de overige twee doelpunten voor zijn rekening namens Atlético, terwijl Karim Benzema en Sergio Ramos in de 27e en 63e minuut verantwoordelijk waren voor de treffers van Real.
Julen Lopetegui kende met de nederlaag tegen Atlético een ongelukkig debuut als trainer van Real. De Spanjaard volgde deze zomer de zeer succesvolle Zinédine Zidane op in Estadio Santiago Bernabéu.
Cristiano Ronaldo was er voor het eerst niet bij aan de kant van Real. De Portugese superster vertrok onlangs voor liefst 100 miljoen euro naar Juventus.
Atlético begint geweldig
Atlético begon geweldig aan de wedstrijd tegen Real, want al na vijftig seconden kwamen 'Los Colchoneros' op een 1-0-voorsprong.
Costa troefde zowel Sergio Ramos als Raphaël Varane simpel af en passeerde vervolgens doelman Keylor Navas met een hard schot vanuit een moeilijke hoek. Navas speelde omdat de kersverse aanwinst Thibaut Courtois niet fit genoeg was om in actie te komen en daarom op de tribune plaatsnam.
Real raakte echter niet in paniek en nadat Marco Asensio al heel dicht bij de 1-1 was geweest, trok Benzema de stand in de 27e minuut wel gelijk.
De spits, waarvan niet duidelijk is of hij een vaste basisplaats gaat krijgen, kopte een afgemeten voorzet van Gareth Bale knap tegendraads binnen.
Real de bovenliggende partij
Real was vanaf dat moment duidelijk de bovenliggende partij. Het wachten was dan ook op de 2-1, maar het duurde nog betrekkelijk lang voordat die halverwege de tweede helft op het scorebord verscheen.
Ramos mocht vanaf elf meter aanleggen nadat Benzema bij een hoekschop de uitgestoken arm van Juanfran had geraakt en liet keeper Jan Oblak kansloos.
Real zat op rozen, maar verzuimde door te drukken, waardoor Atlético er nog in slaagde een verlenging af te dwingen via Costa, die het eindstation van een perfect uitgespeelde aanval was.
In de dertig minuten extra speeltijd trok Atlético enigszins verrassend aan het langste eind. Eerst was het Niguez die er met een schitterende volley 3-2 van maakte, waarna niet veel later Koke met een schuiver zelfs nog voor de 4-2 tekende.
Atlético en Real openen komend weekend de Primera División met respectievelijk een uitduel met Valencia (maandag) en een thuisduel met Getafe (zondag).