Trzy lata po przyjściu do drużyny, zwyciężył z zespołem w międzynarodowym turnieju U-15 Nike Cup. Po zakończeniu zawodów został uznany za najbardziej utalentowanego piłkarza Europy w swojej kategorii wiekowej. W 1999 otrzymał wartą 2 miliony euro ofertę przenosin do Valencii, którą odrzucono, a z zawodnikiem podpisano profesjonalny kontrakt z klauzulą sprzedaży za trzy miliony euro. Pierwszy rok gry spędził w młodzieżowym zespole, a następny sezon rozpoczął w Honour Divison. Rozgrywki zaczęły się dla niego pechowo, gdyż we wrześniu złamał nogę i pauzował do grudnia. W przygotowaniach do kolejnego sezonu trenował z pierwszym zespołem, w którym ostatecznie zadebiutował 27 maja 2001 na Vicente Calderón wchodząc na murawę w 65. minucie spotkania z Leganés. W czasie występu miał 17 lat i 68 dni, co uczyniło go najmłodszym debiutantem w historii klubu. Tydzień później zdobył swojego pierwszego ligowego gola w spotkaniu przeciwko Albacete, a Atlético zakończyło rozgrywki poza miejscem premiującym awans do Primera División.
W kolejnym sezonie, w którym to Torres wystąpił w 36 spotkaniach, zespół wywalczył promocję do pierwszej ligi. Pierwszy sezon w najwyższej klasie rozrywkowej Hiszpan zakończył z 29 występami i 12 zdobytymi golami, a Atlético uplasowało się na 11. miejscu. W kolejnym sezonie Torres poprawił swoje osiągnięcie z poprzednich rozgrywek, strzelając 19 bramek w 35 ligowych spotkaniach, co dało mu trzecie miejsce w klasyfikacji strzelców. W wieku 19 lat został najmłodszym kapitanem w historii klubu. Atlético nie zdołało się zakwalifikować do Pucharu UEFA, ale dzięki zajęciu w lidze 7. pozycji uzyskało awans do Pucharu Intertoto. W spotkaniu z OFK Belgrad zdobył dwa gole, które były jego pierwszymi w europejskich pucharach. Atlético dotarło do finału, w którym przegrało po rzutach karnych z Villarreal. W 2005 sprowadzeniem Torresa zainteresowana była Chelsea, ale prezes hiszpańskiego klubu Enrique Cerezo nie wyraził zgody na transfer. Cerezo ogłosił w styczniu 2006 roku, że klub jest gotów rozważyć oferty za zawodnika, a sam Torres stwierdził, że w marcu otrzymał ofertę od Newcastle United.
Po Mistrzostwach Świata 2006, w których Torres dotarł z reprezentacją do 1/8 finału, Chelsea ponownie zaczęła starania o pozyskanie zawodnika, ale ten zdecydował, że jeszcze przez rok pozostanie w Atlético. W następnym sezonie, w którym zdobył w lidze 14 bramek, na nowo rozpoczęły się spekulacje dotyczące przyszłości piłkarza, po tym jak Atlético nie zakwalifikowało się do Pucharu UEFA. Według angielskich mediów Hiszpan był głównym celem transferowym Liverpoolu. Kilka dni później poinformowano, że kluby doszły do porozumienia; kwota transferu wyniosła 25 milionów funtów, a do Atlético w ramach transakcji odszedł Luis García. 30 czerwca Atlético ogłosiło pozyskanie z Villarrealu Diego Forlána, jeszcze przed oficjalnym podpisaniem kontraktu Torresa z Liverpoolem. 2 lipca zawodnik sfinalizował umowę z angielskim klubem. Następnego dnia piłkarz pomyślnie przeszedł testy medyczne, po których powrócił do Madrytu na pożegnalną konferencję prasową. Z momentem podpisania umowy Torres stał się najdroższym piłkarzem w historii Liverpoolu.