Luciano Vietto kvitterade för Atlético i 83:e minuten. Tidigare hade Reals målvakt Keylor Navas räddat en straff från Antoine Griezmann.
Resultatet gör att Villarreal behåller ledningen i spanska ligan, trots att laget förlorade mot jumbon Levante tidigare på dagen. Deyverson blev Levantes matchhjälte när han gjorde matchens enda mål i 83:e minuten, mot ett Villarreal som tvingades spela med tio man i nästan en timme efter att Bojan Jokic blivit utvisad.
Villarreal har 16 poäng efter sju omgångar och skuggas av Real Madrid, Celta och Barcelona, som alla har 15.