Der spanische Nationalstürmer Alvaro Morata brachte Atletico gegen seinen Ex-Klub in Führung (19.), Rodrygo gelang mit einem sehenswerten Sololauf der Ausgleich (79.).
In der Verlängerung schwächten sich die Gäste mit einer Gelb-Roten-Karte für Stefan Savic erst selbst (99.), bevor Benzema (104.) und Vinicius Junior (120.+1) die entscheidenden Treffer für den Champions-League-Sieger erzielten.
Neben den Madrilenen steht auch Athletic Bilbao nach einem 3:1 (2:1)-Sieg gegen den FC Valencia im Halbfinale. Bereits am Mittwoch hatten sich Liga-Spitzenreiter FC Barcelona und CA Osasuna für die Runde der letzten Vier qualifiziert.