Tras el intento fallido de ascender del primer año, la directiva de Alejandro Carretero no quiso que el Atlético pasase más tiempo en 3ª regional, para lo cual reforzó al equipo con más jugadores de Tomelloso, pero que estuviesen jugando en clubes de superior categoría. Así llegaron Merino, Ramón, Amadeo, Blanco II y Pérez, entre otros, que estaban jugando en equipos como Criptanense, Socuéllamos o Villarrobledo. También se mantuvo a dos de los jugadores madrileños que habían reforzado al equipo al final de la campaña anterior, como fueron Iriondo y Ricardo, que habían dado un gran rendimiento y lo siguieron dando esta temporada. En cuanto al entrenador, la directiva había relegado de su puesto a Vicente, por lo que el cargo estaba vacante. Se inició la pretemporada, por tanto, con nuevo míster, pero una serie de desavenencias provocaron su sustitución antes de empezar la liga por Félix Martínez, que fue quien dirigió al equipo en esta campaña 1980/81.

Ya con la liga en marcha, a pesar de perder el primer partido en Herencia, el equipo cogió luego una racha fenomenal que le permitió alcanzar el primer puesto y abrir hueco con todos sus perseguidores menos con el Atlético Daimiel, que se quedó como único rival por el título. El equipo, además, se reforzó con Ñin y Bujalance, y se plantó en el partido contra los daimieleños con una marca de 23 victorias en 25 partidos. Ese partido se perdió, y unido a un malestar en el vestuario hizo que Félix Martínez fuese cesado. Tuvo que hacerse cargo del equipo el secretario técnico, Laureano Olmedo, bajo cuya dirección el Atlético Tomelloso mantuvo el primer puesto, ya que se ganaron todos los partidos que quedaban. Así se consiguió el primer ascenso de la historia del club, que al año próximo jugaría en Segunda Regional.

Entrenador: FÉLIX MARTÍNEZ (1ª temporada). Cesado tras la jornada 26 y sustituido por LAUREANO OLMEDO.