2013年7月8日巴塞罗那官方宣布比利亚以五百一十万欧元的超低价转会西甲劲旅马德里竞技，税后年薪五百一十万欧元，比利亚将身穿拉达梅尔·法尔考留下的九号球衣，添补法尔考留下的空缺，与迭戈·科斯塔组成床单军团2013-14赛季的锋线组合。
8月22日西班牙超级杯，比利亚在卡尔德隆的首战迎战老东家巴塞罗那，第十二分钟阿尔达·图兰进行快速反击，在左路传中，后插而上的比利亚凌空抽射打入他在马德里竞技的首个进球。2013-14赛季比利亚在马德里竞技一赛季总共打入十三球，而比利亚也用自己的实力成功入选了西班牙队征战2014年巴西世界杯的阵容。
球场之外的比利亚非常热衷于公益慈善事业。2008年圣诞节前他和他的队友大卫-席尔瓦、巴拉哈、日基奇、马杜罗一起去了瓦伦西亚当地的一家孤儿院，与孩子们共度圣诞节。此后他又与F1明星阿隆索、同行卡索拉、马塔以及公路自行车运动员萨穆埃尔·桑切斯一起成了奥维多慈善基金会，用于帮助患病的儿童。
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