Casemiro gav de vitklädda ledningen med en cykelspark i den 16:e minuten, innan Antoine Griezmann fri och kyligt kvitterade i den 25:e.

Realkaptenen Sergio Ramos skulle dock se till att återge ledningen till sitt lag från straffpunkten strax innan pausvilan.

I den andra halvleken hittade Atlético in med ännu en kvitteringsboll i nät. Men efter videogranskning bedömdes Alvaro Morata ha varit offside innan han avlossade sitt chippavslut.

I stället kunde inhoppande Gareth Bale punktera derbytillställningen i minut 74.

3–1-segern tog upp Real Madrid på andraplatsen, förbi just Atlético, i tabellen.