Det vilde opgør måtte ud i forlængelse efter 3-3 i ordinær tid, og på to scoringer til sidst tog Real Madrid sejren og finalepladsen.
Finalemodstanderen findes torsdag. Her mødes FC Barcelona og Osasuna.
En medrivende første halvleg bød på hele fire scoringer. Atlético lagde bedst ud, og allerede efter syv minutter headede Mario Hermoso Diego Simeones mandskab i front på et hjørnespark.
Herefter overtog Real Madrid kampen, og på scoringer af først Antonio Rüdiger og efter en halv time Ferland Mendy var de hvidblusede madrilenere pludselig i front.
Hos Atlético Madrid har man dog Antoine Griezmann, som er blandt de bedste angribere i klubbens historie. Onsdag blev han det statistisk i hvert fald.
Små ti minutter før pausen leverede han et par fikse driblinger og sparkede udligningen ind fladt fra kanten af feltet. Det var hans scoring nummer 174 for Atlético, hvilket gør ham til den mest scorende i klubhistorien.
Han overgik legenden Luis Aragones med sin scoring.
Kort før pausen misbrugte Rodrygo en kæmpechance for Real Madrid i et underholdende opgør.
Anden halvleg kunne dog slet ikke leve op til de første 45 minutter. Niveauet faldt drastisk, og ud over de vanlige skærmydsler spillerne imellem, var der ikke meget underholdning til tilskuerne.
Dani Carvajal misbrugte stor chance efter 70 minutter, men det lignede, at der skulle en fejl til, før den fastlåste kamp kunne finde en vinder i ordinær tid.
Den fejl leverede Real Madrid-keeper Kepa Arrizabalaga ti minutter før tid, da han fik fumlet et indlæg i eget net.
Det lykkedes dog Real Madrid at slå tilbage godt fem minutter senere. Vinicius Junior indledte en firdobbelt chance, som til sidst endte med, at Dani Carvajal kunne sparke udligningen op i nettaget.
Det var også La Ligas aktuelle førerhold, som dominerede den forlængede spilletid. Det duftede af straffesparkskonkurrence, men i 116. fik Stefan Savic uheldigt dirigeret et indlæg fra Carvajal i eget net.
Jan Oblak var med fremme i overtiden i desperat jagt på en udligning, og Brahim Díaz lukkede og slukkede med en scoring i et tomt mål.
De to hold mødes igen 18. januar, når det gælder ottendedelsfinalen i den spanske pokalturnering.