De Gea je za Atletico Madrid potpisao s 13 godina i to zahvaljujući njegovom tadašnjem treneru koji je lagao klubu samo da bi De Gea potpisao ugovor s Atleticom. Najprije je krenuo kroz mlađe redove kluba prije nego što je potpisao svoj prvi profesionalni ugovor 2008. godine. Tada je imao 17 godina, a s Atleticom je potpisao ugovor sve do 2011. godine. 2009. godine De Geu je pozvao španjolski klub Numancia. Tadašnji Atletski sportski redatelj Jesus García Pitarch ga je nagovarao na odlazak, ali De Gea je odbio te je bio kažnjen i prisiljen sam trenirati. Nekoliko tjedana kasnije De Geu je primjetio trener seniorske momčadi Atletica te ga pozvao da trenira s prvom momčadi. De Gea je bio plasiran kao treći golman u timu. Istog ljeta klub je odbacio ponudu engleskog tima Wigan Athletic za trajni transfer Davida de Gee.
2009. godine Atletico Madrid je išao na U20 Svjetsko prvenstvo na kojem je De Gea bio drugi golman. 30. rujna 2009. godine u dobi od 18 godina De Gea je prvi put igrao za seniorsku momčad. Bilo je to na UEFA Champions League 2009. Na toj utakmici de Gea je primio dva gola te je Atletico izgubio 2-0. De Gea je već za tri dana opet nastupao za seniorsku momčad u La Lizi protiv Porta. U 19. minuti De Gea je skrivio kazneni udarac, ali je to opravdao te je obranio udarac Marka Bobića te odveo Atletico Madrid u konačnu pobjedu od 2-1. U siječnju 2010. godine De Gea je privukao pažnju Manchester Uniteda koji ga je postavio za moguću zamjenu Van der Sara koji je planirao odlazak u mirovinu 2011. godine. De Gea nije otišao u Manchester United več je potpisao novi ugovor sa Atleticom do 2013. godine.
U sezoni 2009-10. u Atletico je došao novi menadžer Quique Sánchez Flores te je De Gea postao prvi vratar tima. Nakon toga dva puta je osvojio titulu "igrača utakmice". Osim toga pojavio se u osam pobijeđenih utakmica među kojima je i finale UEFA Europe League u kojem je Atletico pobijedio Fullhem 2-1. Još dok je bio u Atleticu De Gea je proglašen za nasljednika od jednih najvećih svjetskih golmana ikada, a to je Iker Casillas, bivši golman Real Madrida te sadašnji FC Porta. Iker je branio za španjolsku nogometnu reprezentaciju, a de Gea je proglašen za njegovog nasljednika.
