Stefan Savic ble den store syndebukken da han klarerte ballen inn i eget mål, elleve minutter inn i andre ekstraomgang.
I finalen venter enten Barcelona eller Osasuna. De møtes i det andre semifinaleoppgjøret torsdag kveld.
Mario Hermoso sendte Atlético i ledelsen etter bare sju minutter, før Antonio Rüdiger utlignet 13 minutter senere for «Los Blancos».
Etter en halvtimes spill fullførte Ferland Mendy snuoperasjonen, men serielederne klarte bare å holde ledelse i sju minutter før Antoine Griezmann sendte lagene likt igjen.
Med tolv minutter igjen på klokken rotet Real Madrid-keeper Kepa Arrizabalaga det til og satte inn 2-3-scoringen i egent mål, men en sen scoring fra Dani Carvajal sikret likevel ekstraomganger.
Savics selvmål ble imidlertid ikke helt avgjørende da Brahim Díaz fastsatte resultatet, to minutter på overtid av ekstraomgangene.
Finalen spilles søndag 14. januar. Den spanske supercupen spilles i Riyadh i Saudi-Arabia.
[ PSG-presidenten røper personlig avtale med Mbappé: – Vil ikke si hvor mye den er verdt ]
