Im Juli 2011 wurde Courtois für eine Ablösesumme von circa neun Millionen Euro von seinem Heimatverein Genk an den FC Chelsea verkauft und direkt an Atlético Madrid weiter verliehen. Dort sollte er Spielpraxis und Erfahrung sammeln, um später die Nachfolge von Petr Čech bei Chelsea anzutreten. Dazu äußerte sich der Torhüter und wird mit folgenden Worten: „Chelsea sieht mich als Nachfolger von Petr Čech. Es wird zwar nicht in ein oder zwei Jahren passieren, aber in drei, vier oder fünf Jahren...“ Bei Atlético trat er die Nachfolge von David de Gea an, der zu Manchester United gewechselt war. Als neuer Stammtorhüter kassierte er in seinen ersten Partien – in der Europa League gegen Vitória Guimarães und in den ersten vier von sechs der Liga – kein Gegentor. Auch in der Zeit von Januar bis Februar blieb er insgesamt 578 Minuten ohne Gegentor.
Am Ende der Saison 2011/12 wurde er mit Atlético Tabellenfünfter und erreichte das Finale der UEFA Europa League. Im Finale traf er mit Madrid auf Athletic Bilbao und gewann mit 3:0. Kurz nach Gewinn der Europa League wurde die Leihe an Madrid um ein weiteres Jahr verlängert. Nach Ende der Sommerpause traf er am 31. August im UEFA Super Cup auf den Champions-League-Sieger, seinen eigentlichen Arbeitgeber, den FC Chelsea. Das Duell der beiden Europapokalsieger aus dem Vorjahr gewann er mit Atlético deutlich 4:1. In der Saison 2012/13 wurde Courtois mit seinem Team Dritter in der Liga und spanischer Pokalsieger. Im Finale schlug man den Stadtrivalen Real Madrid. Im Juni 2013 wurde das Leihgeschäft um ein drittes Jahr verlängert.In der Saison 2013/14 gewann er mit Atletico erstmals die spanische Meisterschaft und wurde zum zweiten Mal als bester Torhüter der Liga ausgezeichnet. Im Halbfinale der Champions League traf er wieder auf Chelsea und gewann abermals, nachdem die UEFA klargestellt hatte, dass Chelsea keinerlei Einfluss auf den Einsatz Courtois’ nehmen darf, musste sich im Finale aber dem Stadtrivalen Real Madrid mit 1:4 n.V. beugen.
Zur Saison 2014/15 kehrte Courtois zum FC Chelsea zurück. Dort setzte er sich zu Saisonbeginn gegen Petr Čech – seit zehn Jahren Stammtorhüter – durch und stand beim 3:1-Auswärtssieg gegen den FC Burnley am ersten Spieltag im Tor der Blues. Im September 2014 unterschrieb Courtois einen neuen Fünfjahresvertrag bis zum 30. Juni 2019. Am 1. März 2015 feierte er den Gewinn des League Cup nach den Sieg über den Stadtrivalen Tottenham Hotspur, er selbst war im Finale allerdings nur auf der Bank.
Nationalmannschaft:
In den Jahren 2009 und 2010 bestritt Courtois vier Freundschaftsspiele für die belgische U-18. Im Jahr darauf wurde er für das Freundschaftsspiel gegen Slowenien erstmals in den Kader der A-Nationalmannschaft berufen und gab wenig später gegen Frankreich sein Debüt. Dabei spielte er über die volle Länge und musste keinen Gegentreffer hinnehmen, das Spiel endete 0:0. In seinem zweiten Länderspiel gegen Montenegro zog er sich eine Knieverletzung zu, sodass er in der 50. Minute gegen Jean-François Gillet ausgewechselt werden musste. 2013 qualifizierte er sich mit der Nationalmannschaft Belgiens für die WM 2014 in Brasilien als im vorletzten Qualifikationsspiel Kroatien mit 2:1 geschlagen wurde. Im Mai 2014 wurde Courtois von Marc Wilmots in den vorläufigen Kader Belgiens zur WM-Endrunde nominiert und schaffte auch den Sprung in den endgültigen Kader. Er erreichte mit Belgien das Viertelfinale, in dem man gegen den späteren Vizeweltmeister Argentinien mit 0:1 ausschied. Der belgische Torwart zeigte in jedem Spiel starke Leistungen und war einer der Garanten für den Halbfinaleinzug.