Les Colchoneros ont pris l'avantage grâce à un joli but de leur capitaine Koke, après un une-deux intelligent avec Joao Felix au retour des vestiaires (49e).
Le prodige portugais a d'ailleurs signé une nouvelle prestation de prestige, avant d'être rappelé sur le banc par Diego Simeone à la 64e pour laisser place à Luis Suarez, non sans frustration.
La fin de match a été marquée par l'expulsion sévère d'Angel Correa, sanctionné d'un carton rouge direct pour une poussette sur Alejandro Catena à la 84e.
Auparavant, Antoine Griezmann avait alerté deux fois Stole Dimitrievski dès l'entame de match : le N.8 français de l'Atlético a failli marquer dès la 2e minute au ras du poteau, puis à la 12e minute, sur un ballon intelligemment prolongé de la tête dans la surface par le "Menino de Ouro" (le gamin en or, en portugais).
Quatre jours après l'exploit à Old Trafford contre Manchester United de Cristiano Ronaldo (1-0 et qualification à la clé), cette victoire dans le derby de la capitale, le cinquième succès de rang toutes compétitions confondues pour les Rojiblancos, redonne confiance aux hommes de Simeone juste avant la fenêtre internationale... et avant une rencontre alléchante qui va les opposer à Manchester City en quart de finale de Ligue des champions le 5 avril à l'Etihad Stadium.
Pour le Rayo, l'équipe surprise du début de saison en Espagne, cette défaite vient appuyer le déclin de la formation de Radamel Falcao (blessé samedi soir). Le Rayo n'a plus gagné un seul match de Liga depuis le 18 décembre (2-0 à domicile contre Alavés), et s'enlise à la 13e place du classement.