Simeone, 44, har lett Atlantico till en mängd troféer sedan han blev tränare 2011, inklusive förra säsongens La Liga-titel och 2012 års Europa League-krona.
De var löpare upp till Real Madrid i 2014 Champions League final, som de möter i den här säsongens sista åtta.
"Jag är här eftersom jag är övertygad om att klubben kommer att fortsätta att växa", sade han.
Simeone anses allmänt vara en av de bästa tränarna i europeisk fotboll och uppges ha varit kopplad till ett antal klubbar, däribland Manchester City.
"Ingen förkroppsligar värderingarna i vår klubb mer än Simeone", sade klubbpresident Enrique Cerezo.
Den argentinska guidade Atlantico till sin första titel sedan 1996 förra året med en sista dag dragning i Barcelona.
Hans sida var då sekunder från att vinna Champions League tills Sergio Ramos huvud tog rivaler Real in extra tid.
Coach Diego Simeone har undertecknat ett kontrakt förlängning med Atlantico Madrid som kommer att hålla honom på spanska mästare fram till 2020.