El 25 de julio de 1938 el llamado Ejército del Ebro, de reciente constitución, cruzó el río por varios lugares situados entre Mequinenza y Amposta. Así dio comienzo una larga y durísima batalla (la más mortífera de la guerra) en la que fueron destruidas las principales fuerzas republicanas de Cataluña.

Siempre quedará la polémica de si la República hizo bien en plantear esta batalla de desgaste en una época en la que su inferioridad militar respecto a su enemigo era tan acusada. Algunos de los que participaron en ella en el Ejército Popular sostuvieron siempre que la batalla fue de una necesidad ineludible e incluso afirmaron que la acción del Ebro fue una victoria republicana. Efectivamente, tras la ruptura en dos de la zona por el Mediterráneo el Ejército nacional presionaba en la zona levantina y aunque el avance había quedado detenido a las puertas de Valencia los jefes militares de la zona centro republicana no pararon de solicitar del gobierno catalán una acción diversiva que les permitiera un respiro. Otro aspecto a tener en cuenta eran las continuas derrotas sufridas por el Ejército Popular que habían llevado la moral de sus combatientes a sus niveles más bajos. Se decía que si se tomaba una estrategia defensiva, Cataluña caería aún más rápido. Por tanto el día 12 de julio de 1938 el jefe de gobierno Juan Negrín declaró que Valencia caería a menos que se lanzara un ataque diversivo en otro punto. El general Vicente Rojo, Jefe de Estado Mayor, propuso que se lanzara un ataque masivo por el Ebro con el ambicioso (e irreal) objetivo de tratar de unir de nuevo las dos zonas republicanas. Para ello se formó el Ejército del Ebro compuesto por 80.000 hombres recuperados de unidades desorganizadas durante la ofensiva franquista de Aragón. Parecía increíble que la República, dividida y con un evidente cansancio tras dos años de dura guerra pudiera estar aún en disposición de tomar la ofensiva. A decir verdad era una gran temeridad pues la frontera francesa se encontraba cerrada aquellos días y la República se veía privada de las reservas en armamento que hubieran ampliado el supuesto éxito de la batalla del Ebro. De todas maneras la decisión estaba tomada y la noche del 24 al 25 de julio de 1938 los republicanos empezaron a cruzar el Ebro entre las localidades de Mequinenza y Fayón y entre Fayón y Cherta. El paso se hizo con cualquier embarcación que flotara y con la disposición de puentes de pontones. La primera unidad en tomar posiciones en la otra orilla del río fue la 11ª Brigada Internacional. Ante ellos se encontraba una de las divisiones de élite nacional, el Cuerpo de Ejército Marroquí del general Juan Yagüe. Otra acción se realizó más al sur en Amposta pero este avance era de importancia secundaria y los republicanos, privados del apoyo artillero y aéreo tuvieron que volver a cruzar el Ebro apresuradamente hacia sus posiciones dejando en la otra orilla gran cantidad de muertos y mucho material.

Río arriba, los republicanos seguían avanzando, entre Fayón y Cherta el 5º Cuerpo de Ejército de Enrique Líster avanzó 40 km. deteniéndose en las inmediaciones del pueblo de Gandesa. Entre Mequinenza y Fayón la República avanzó 5 km. La sorpresa era total y alrededor de 4.000 soldados nacionales fueron hechos prisioneros, incluso jefes de Estado Mayor. Pronto Gandesa se convirtió en la clave de la batalla. Desde el 27 de julio al 2 de agosto Líster atacó la ciudad pero sin conseguir tomarla. El avance republicano quedó contenido y la estrategia se tornó defensiva. En sólo dos días la República había conquistado todo el terreno que ahora se proponia defender. Pero fallos técnicos había impedido aprovechar la sorpresa total. Los soldados, una vez cruzado el río habían tenido que avanzar a pie pues tanto los camiones como los tanques debían usar puentes más lentos de construir. Además el dominio aéreo se esfumó con la misma rapidez con la que Franco envió a la batalla la Legión Cóndor alemana.

Pese a todo los republicanos se aferraron al terreno que habían conquistado. Las consignas "vigilancia, fortificación, resistencia" fueron repetidas constantemente durante las siguientes semanas. Se fusilaba a los hombres u oficiales que se retiraban tal y como el comunista Enrique Líster recordaba: "Quien pierda un solo palmo de terreno - llegó a decir Líster - debe reconquistarlo al frente de sus hombres o se verá ante el pelotón de fusilamiento".

En el bando nacional, una vez pasada la sorpresa, Franco hizo caso omiso de las recomendaciones de algunos de sus generales. Querían que dejara que los republicanos penetraran profundamente en sus líneas en vista a un ataque más al norte por Lleida que aislara completamente sus fuerzas en el Ebro. En vez de eso resolvió atacar el frente del Ebro de manera frontal, reconquistando el terreno perdido. Probablemente se trataba de un error porque la zona de Lleida se encontraba débilmente defendida por la República que ya había empeñado todas sus reservas en el sector del Ebro. Sea como fuere, la verdad es que a pesar de no ser la mejor solución era también efectiva porque la superioridad aérea y material del Ejército nacional les permitía atacar frontalmente y así destruir de manera completa las unidades republicanas, aunque el precio pagado fuera mayor.

Por tanto el 6 de agosto se realizó el primer contraataque nacional que tuvo como resultado la reconquista de la bolsa republicana entre Mequinenza y Fayón. El 11 de agosto se atacó la Sierra de Pándols, al sur de la bolsa entre Fayón y Cherta. El 19, Yagüe lanzó a sus fuerzas en dirección norte a la Sierra de Fatarella y el Cuerpo de Ejército del Maestrazgo (general García Valiño) atacó en dirección a la Sierra de Cavalls. De esta forma y progresivamente en las siguientes seis semanas la República se vió obligada a ceder 200 km. cuadrados de terreno. La batalla que se libró durante esos días fue durísima. Cada día los cazas y bombarderos nacionales despegaban para bombardear impunemente. Los cazas republicanos rusos estaban en completa inferioridad numérica y material ante los modernísimos "Messerchmit Bf 109" de la aviación nacional. Todos los puentes tendidos por los republicanos sobre el Ebro para el paso de sus fuerzas eran bombardeados a diario pero los ingenieros los reponían con la misma tenacidad. La República había perdido el dominio del aire con lo que quedaba desvirtuada la ventaja de poseer las elevaciones del terreno.
El 30 de octubre dio comienzo la contraofensiva final. El Cuerpo de Ejército del Maestrazgo conquistó la sierra de Cavalls. Más al sur el 2 de noviembre se atacó la Sierra de Pándols y el día 4 ya habían sido ocupada. El día 7 caía Mora de Ebro lo que significaba que el flanco derecho nacional ya había alcanzado el Ebro. El responsable de las operaciones republicanas en la batalla teniente coronel Juan Modesto decidió que la batalla estaba perdida y ordenó a sus unidades que cruzaran de nuevo el río en sentido contrario. Por el centro el pueblo de Fatarella cayó el 14 de noviembre. El día 16 el puente de hierro de Flix fue volado y al norte el dia 18 Yagüe entraba en Ribarroja de Ebro, última cabeza de puente de los republicanos.
La batalla del Ebro había terminado. Los historiadores no se ponen de acuerdo sobre el número de bajas sufridas durante la batalla pero se cree que fueron alrededor de unas 50.000 o 60.000 en cada bando pero con 4.500 muertos en el bando nacional y entre 10.000 y 15.000 en el republicano. Ambos ejércitos perdieron gran cantidad de aviones pero mientras Franco podía reponer rápidamente sus pérdidas gracias a la ayuda italiana y alemana, la República perdió entre 130 y 150 aparatos que ya no podía reponer. Al terminar la batalla la moral del Ejército nacional se había elevado nuevamente. Sus fuerzas estaban alcanzando un nivel de eficacia que la República no llegaba ni siquiera a acariciar. Por el lado republicano la afortunada evacuación del Ebro permitió disimular las pérdidas. Les quedaba el consuelo de que durante la batalla habían perdido en cuatro meses el terreno que habían conquistado por sorpresa en sólo dos días. Pese a todo, lo cierto era que el Ejército del Ebro había quedado totalmente destruido como fuerza de combate operativa. Los nacionales, por contra, repusieron completamente sus pérdidas mucho antes de lo que hubieran podido imaginarse los republicanos. La batalla del Ebro había decidido de antemano la suerte de Cataluña.