Atletico Madrid scoret fem mål mot byrivalen Real for første gang på nesten 75 år da de kjempet seg tilbake fra å ligge under i et pulsende byderby.
Det var bare fjerde gang Atletico har scoret minst fem mål i et Madrid-derby, hvor forrige gang var en 6-3 seier i november 1950.
Les: Litt sjokkert over prisen på Mason Greenwood, men fortsatt interessert
Real tapte for første gang denne sesongen, etter å ha vunnet alle sine seks første La Liga-kamper i tillegg til sin første Champions League-kamp, en 2-1 seier over Marseille.
Forrige gang Real slapp inn så mange mål i La Liga var i et 5-1 tap mot Barcelona i oktober 2018.
Robin le Normands heading ga Diego Simeones lag en tidlig ledelse som ble snudd av superb mål fra Kylian Mbappé og Arda Güler.
Men Alexander Sørloth utlignet kampen til 2-2 i overtid ved slutten av første omgang.
Vertene tok kontroll etter pause da Julián Álvarez, som hadde truffet stolpen i første omgang, scoret på straffespark før han krøllet inn et brilliant frispark.
Atletico trakk seg litt tilbake, men holdt byrivalen på avstand til Antoine Griezmann sikret deres femte mål dypt i overtid.
Resultatet opprettholdt et imponerende resultat mot Real i La Liga for Simeones lag, som ikke har tapt i sine seks siste ligamøter med Los Blancos.
Les på Popidol: Datteren til eks-Premier League-stjerne tjener svimlende beløp på OnlyFans mot hans vilje
Diego Simeones Atletico Madrid har ikke tapt mot Real Madrid i La Liga siden september 2022
En tårefylt argentiner innrømmet at Atleticos sesongstart, som ga én seier i de fem første La Liga-kampene og et dramatisk tap mot Liverpool i Champions League, hadde vært tøff.
«Det er mange følelser inni,» sa den 55-åringen, som har managet laget i 14 år. «Sesongen startet vanskelig og det er mye innsats fra mange mennesker som du ikke ser, og det har vært fantastisk.»
«Fra starten av visste vi hvor vi kunne gjøre skade, jeg tror at, utover deres to mål, gjorde laget det bra.»
Xabi Alonso aksepterte at Real ikke hadde nådd de standardene de hadde satt under sin ubeseirede start.
«Forklaringen er at vi ikke presterte på vårt vanlige nivå – og det må gjøre vondt, men det må være en smerte som vi bruker positivt,» sa den 43-åringen, som kom fra Bayer Leverkusen i overgangsperioden.
«Jeg kunne se at vi ikke spilte på vårt beste og at vi manglet rytme og intensitet.»
«Som en del av fremgangs- og utviklingsprosessen kommer det til å være tøffe dager. Hvordan vi reagerer er det som betyr noe.»
Atletico startet kampen sterkt og fortjente sin tidlige ledelse, som kom da Le Normand headet inn et Giuliano Simeone-innlegg gjennom keeper Thibaut Courtois hender.
Men Real utlignet da Mbappé scoret sitt åttende mål for sesongen med sin første sjanse i kampen, da han skjøt ballen over keeper Jan Oblak etter Güler’s splittende pasning.
Güler ga Real ledelsen med stil da han feide Vinícius Jr’s innlegg hjem på halvvolley, men Atletico var nesten på utligning innen ett minutt da Álvarez krøllet et skudd på stolpen.
Det var ingen letting før slutten av første omgang, med Atletico som fikk et mål fra Clément Lenglet annullert for håndball, før Sørloth headet Kokes superb innlegg forbi Courtois ved bakre stolpe.
Og tidevannet snudde avgjørende i Atleticos favør tidlig i andre omgang da Güler ga bort en straffe, ved klønete å treffe Nico Gonzalez på pannen med et høyt spark i en hjørnespark.
Álvarez, som hat-trick hadde hjulpet Atletico til en 3-2 seier over Rayo Vallecano tre dager tidligere, scoret klinisk på straffen og utvidet deretter ledelsen da han krøllet et frispark over veggen og forbi Courtois utstrakte høyre hånd.
Alonso gjorde en rekke bytter, men Real klarte ikke å true Atletico før vertene understreket prestasjonen med et femte mål.
Alex Baena fanget en løs pasning på midtbanen og slapp løpende medbytter Griezmann, som gled inn i straffeområdet før han trillet ballen forbi Courtois.
Real ligger fortsatt på toppen av La Liga, to poeng foran andreplasserte Barcelona, som mottar Real Sociedad på søndag, mens Atletico – som ikke har tapt siden sesongåpningen – ligger seks poeng bak på fjerdeplass.
Hva blir neste for begge lag?
Oppmerksomheten rettes nå mot Champions League, hvor begge lag er i aksjon tirsdag 1. oktober. Real reiser til Kasakhstan for å møte Kairat Almaty, mens Atletico mottar Eintracht Frankfurt.
