Latem 2006 Zé Castro interesowały się Celtic F.C., Bayern Monachium oraz Tottenham Hotspur. Piłkarzowi skończył się kontrakt, więc mógł odejść za darmo i ostatecznie wybrał Atlético Madryt, do którego namówił go nowy szkoleniowiec zespołu, Javier Aguirre. W Primera División Portugalczyk zadebiutował w 9. kolejce, 4 listopada w zremisowanym 0:0 wyjazdowym meczu z RCD Mallorca. Pokazał się z dobrej strony i w następnym meczu z Villarrealem ponownie wybiegł w podstawowej jedenastce. W 36. minucie spotkania zdobył gola na 1:1, a madrycki klub ostatecznie wygrał 3:1. Od tego czasu Zé Castro stał się filarem obrony Atlético, na środku której grał z Luisem Amaranto Pereą bądź Pablo Ibáñezem. W sezonie 2007/2008 stracił i został rezerwowym.
Latem 2008 Zé Castro przeszedł za 2 miliony euro do Deportivo La Coruña. W nowym klubie zadebiutował 31 sierpnia w wygranym 2:1 domowym meczu z Realem Madryt.