Lors de ce derby de la capitale disputé au stade Metropolitano, le club merengue s'est imposé grâce à un ciseau splendide de Casemiro (16e), un penalty de Sergio Ramos (42e) et un but en contre de Gareth Bale (74e).
Entre temps, Antoine Griezmann (25e) avait égalisé pour l'Atlético, qui a fini à dix après l'exclusion de Thomas Partey pour un second carton jaune (80e).
Les hommes de Santiago Solari sont deuxièmes au classement avec un total de 45 points, à une unité devant l'Athlético, qui a encaissé sa deuxième défaite consécutive, mais à 5 longueurs des Blaugranas, attendus dimanche à Bilbao.
Le Real affrontera mercredi prochain les Néerlandais de l'Ajax Amsterdam en huitième de finale aller de la Ligue des champions, dont il est triple tenant du titre.