Desde primeros de noviembre de 1936 hasta el final del conflicto Madrid fue frente de guerra. Hasta entonces, la efectividad en combate de las milicias republicanas se había revelado nula, nada hacía pensar que la capital, defendida por estas mismas milicias opondría una fuerte resistencia. Pero desde agosto el bando republicano empezó a contar con la ayuda creciente de la Unión Soviética, ayuda que llegó justo a tiempo para defender Madrid.

Con el episodio del Alcázar resuelto favorablemente a favor del ejército nacional, Franco pasó a iniciar la ofensiva final sobre Madrid. Sus fuerzas de elite, el Ejército de Africa con 10.000 hombres, apoyados por otros 15.000 falangistas, requetés y regulares pretendían conquistar una ciudad de más de un millón de habitantes generalmente hostiles. El nuevo jefe de gobierno Francisco Largo Caballero, en el poder ya dos meses, confiaba en que la ayuda soviética sería de gran ayuda para detener la ofensiva nacional. Desde septiembre no dejó de anunciar que la República pronto estaría en condiciones de combatir con las mismas armas a los rebeldes.

Por ello, y con el fin de alcanzar la eficacia prometida, decretó el fin de la independencia orgánica de las milicias y las subordinó a un Estado Mayor Central como embrión del futuro Ejército Popular de la República compuesto por las llamadas "brigadas mixtas", unidad básica compuesta por tres batallones. También confió en el sistema de comisarios políticos ya instaurado en el 5º Regimiento, de inspiración comunista, que sirvió en gran medida para aumentar su prestigio e influencia entre los republicanos.

Con los ecos de la batalla que se avecinaba el gobierno republicano decidió trasladarse a una ciudad que ofreciera mayor seguridad. Se decidió que esta ciudad fuera Valencia, Madrid quedó sometida a una Junta de Defensa y con un comandante en jefe nombrado por la República, el general José Miaja. Miaja se preparó para una defensa encarnizada y desesperada en las calles de la capital. Afortunadamente para él y para toda la España republicana la ayuda soviética enviada en grandes cantidades a partir de octubre estaba empezando a inclinar la balanza a favor de la República. Desde la lejana Odessa, en el Mar Negro, buques de transporte rusos empezaron a fondear en los principales puertos de la España republicana, principalmente Barcelona y Valencia. Sus bodegas iban cargadas de tanques, aviones y material bélico de todas clases, también instructores y comisarios políticos. Con la ayuda material llegaba también la influencia política. La aviación fue reforzada con los Polikarpov I-15 "Chato" e I-16 "Mosca" que eran superiores a sus equivalentes alemanes e italianos, principalmente Heinkel He-51 y Fiat CR-32. Los tanques recibían el nombre de T-26, pesaban 10 toneladas y también eran superiores al Fiat-Ansaldo italiano y Mark I aleman suministrados al ejército nacional. Pero la llegada de material de guerra ruso no era gratis, el 25 de octubre de 1936 el ministro de Hacienda Juan Negrín, llamado en un futuro a ocupar las más altas esferas de la política republicana, tuvo que autorizar el envío de gran parte de la reserva de oro española alojada en el Banco de España hacía Moscú como primer pago del material recibido. Stalin comentó socarronamente a uno de sus colaboradores cuando el oro llegó a Rusia: "Así como un hombre nunca puede verse sus propias orejas lo mismo les ocurrirá a los españoles con el oro enviado a Rusia".

Entretanto Madrid se preparaba para la defensa bajo un halo propagandístico total. El gobierno anunció que tenían los medios necesarios para el triunfo, la llegada de las armas soviéticas era ya una realidad. Entre el bando nacional la moral seguía alta. El general Mola anunció que tomaría el café en Madrid y al preguntarle un periodista extranjero cuál de sus cuatro columnas sería la primera en tomar Madrid, el general le respondió que sería la quinta columna, es decir, la de los partidarios de los nacionales que habían quedado escondidos en la capital. Estas imprudentes palabras sólo sirvieron para aumentar los asesinatos políticos en la zona republicana.

La ofensiva nacional dio por fin comienzo. En principio la resistencia republicana en las afueras de Madrid fue vencida. El 4 de noviembre cayó Getafe. Pero el 7 de noviembre la República se vio favorecida por un increíble golpe de suerte. En el interior de un tanque italiano que tomaba parte en la ofensiva los milicianos republicanos encontraron una copia exacta del plan general de batalla del ejército nacional para la conquista de Madrid. El plan fue inmediatamente enviado al general Miaja que con ayuda de su jefe de Estado Mayor, teniente coronel Vicente Rojo, dispuso la efectiva coordinación de la defensa en función de la detallada información del plan capturado. En el propio Madrid se estaban desarrollando escenas de auténtico fervor revolucionario. Todo el mundo participaba en la defensa. El grito de "¡No pasarán!" se convirtió en el lema de todos los madrileños y por supuesto de toda la España republicana. Además la defensa de Madrid coincidió con uno de los hechos más románticos producidos durante la guerra y probablemente único entre todos los conflictos que asolaron el mundo durante el siglo XX: la formación de las Brigadas Internacionales. Su inspiración fue también obra de los comunistas del Komintern, órgano creado en 1921 tras la III Internacional. Durante toda la guerra llegarían a sumar un total de 40.000 hombres, todos voluntarios venidos de todas partes. La mayoría eran jóvenes y tenían un sentimiento común, derrotar al fascismo ayudando a la República española frente a los rebeldes. No es de extrañar por tanto que entre estos hubiesen también italianos y alemanes de izquierdas, exiliados de sus respectivos países. La oficina central de reclutamiento de las Brigadas Internacionales se encontraba en París. Pronto se creó en la España republicana la base de adiestramiento de todos estos voluntarios que quedó fijada en Albacete. El mando de la base se confió a los comunistas André Marty, comandante en jefe, Luigi Longo "Gallo", inspector general y Giuseppe di Vittorio "Nicoletti", jefe de los comisarios políticos. Tres batallones formaron la primera brigada mixta encuadrada en el Ejército Popular, la 11º Brigada. El 6 de noviembre de 1936 esta unidad ya estaba en marcha para ocupar su puesto en el frente defendido por la República. El 13 de noviembre ya había otra brigada, la 12º Internacional, dispuesta en el frente de defensa. El ejemplo de las Brigadas Internacionales, único en su género, aumentó aún más los deseos de defensa de la población madrileña.

Al mismo tiempo empezaban en Madrid los asesinatos políticos. Bajo un clima generalizado de temor ante la más que posible toma de la capital y ante la falta de una autoridad política (recordemos la huida del gobierno republicano a Valencia) la Junta de Defensa accedió a sacar de sus cárceles a más de 5.000 presos políticos simpatizantes de la causa nacional en previsión de un próximo traslado a Valencia. Pero entre el 7 y 8 de noviembre casi 2.000 de ellos fueron trasladados hasta Paracuellos del Jarama y Torrejón de Ardoz siendo fusilados y enterrados en fosas comunes. Durante todo el mes y hasta el 4 de diciembre siguieron produciéndose fusilamientos. Hasta entonces la cifra había aumentado a alrededor de 2.700 (los nacionales aducirían después de la guerra que habían sido casi 9.000 los ajusticiados). Entre los principales responsables de la matanza no parece alejado de la realidad achacar sus muertes a los aparatos policiales bajo control comunista y a los dirigentes Manuel Muñoz, director general de Seguridad, Santiago Carrillo, consejero de Orden Público y Segundo Serrano, delegado de la Dirección General de Seguridad. Son muchas las sombras que aún rodean este triste episodio.
Pero la batalla de Madrid no había hecho más que empezar. El 6 de noviembre el avance nacional quedó detenido en el cerro Garabitas, una pequeña elevación próxima al río Manzanares y que dominaba la Casa de Campo. En dicho sector se produjo el bautismo de fuego de la 11º Brigada Internacional. El 12 de noviembre también entró en combate la 12º Brigada Internacional desde la carretera Madrid-Valencia. También se sumó a la defensa la columna del líder anarquista Buenaventura Durruti, recién llegada de Aragón. Miaja accedió a que realizaran un contraataque en la Casa de Campo pero este fracasó. Durruti, furioso, prometió un nuevo ataque para el día siguiente pero entonces los nacionales decidieron avanzar y algunas de sus unidades alcanzaron el río e incluso lo vadearon. Su sorpresa fue mayúscula al darse cuenta de que el sector se encontraba indefenso por un error en el relevo de las columnas anarquistas en el frente. El error fue parcialmente subsanado el 15 de noviembre con el envío de la 11º Brigada Internacional que trabó violento combate en la Ciudad Universitaria que los nacionales habían ocupado casi en su totalidad. El 19 de noviembre Durruti fue mortalmente herido en dicho sector y murió al día siguiente. Se ha especulado mucho sobre su muerte pero aún hoy es un misterio establecer como murió Durruti.

La batalla de la Ciudad Universitaria se prolongó hasta el 23 de noviembre, ahora los dos ejércitos, exhaustos y sin reservas se dedicaron a fortificarse en sus posiciones. Ese mismo día los gobiernos de Italia y Alemania reconocieron al gobierno de Franco como el gobierno legítimo de España. Franco al darse cuenta de cómo había subestimado la defensa de la capital decidió bombardearla para minar su resistencia. Los oficiales alemanes de la Legión Cóndor (fuerza de aviación enviada desde Alemania) se mostraron encantados con la nueva medida. Madrid empezó a sufrir bombardeos constantes y a diario. Pocos años más tarde habría de repetirse en las principales ciudades europeas el ejemplo de Madrid, pero hasta la fecha ninguna ciudad sufrió lo que sufriría el Madrid bombardeado de la guerra. El 13 de diciembre de 1936 los nacionales abandonaron la idea de un ataque frontal sobre Madrid y trataron de rodear la ciudad por el norte. La batalla tenía por objetivo la conquista de la carretera Madrid-La Coruña, arteria importante en el traslado y movilidad de las fuerzas republicanas. Un primer intento finalizó tras un avance ocho kilómetros y la conquista de Boadilla y Villanueva de la Cañada con la decidida defensa republicana. Después de Navidad los nacionales volvieron a intentarlo. El 3 de enero atacaron y conquistaron Rozas, el 5 de enero, tras un bombardeo y la actuación de los tanques y la infantería, cayó Pozuelo. El frente republicano se rompió en algunos puntos y los observadores alemanes sacaron algunas interesantes conclusiones de esta "Blitzkrieg" (guerra relámpago) a pequeña escala. La República envió a la 14º Brigada Internacional, de reciente constitución, para taponar la brecha. El 9 de enero a costa de grandes pérdidas los nacionales alcanzaron la ansiada carretera pero a partir del 15 de enero les fue imposible seguir avanzando. La República había impedido el aislamiento de la Sierra de Guadarrama por lo que el resultado de la batalla se puede considerar nulo.

El año de 1937 nacía pues con un más que previsible alargamiento de la guerra. Durante la primavera las conversaciones en el Comité de No Intervención se mostraron totalmente inútiles porque todos los países implicados en ella seguían enviando ayuda material constante a España. El ministro alemán de Asuntos Exteriores, Joachim Von Ribbentropp comentó irónicamente que tal vez el verdadero nombre de este organismo debía ser el de "Comité de Intervención". Los hechos parecían darle la razón porque a partir de febrero de 1936 Franco decidió tomar Málaga con ayuda italiana. Republicana desde el inicio de la guerra, Málaga había quedado sin embargo parcialmente aislada por el dominio rebelde de Granada. Franco accedió a las tropas enviadas por Mussolini, el CTV (Corpo di Troppe Voluntario), tomaran parte activa en la ofensiva. Fue una victoria fácil, frente a 12.000 republicanos insuficientemente armados las fuerzas italianas, provistas de tanques, iniciaron un verdadero paseo militar ante una escasa o nula resistencia. El 7 de febrero ya habían tomado la capital, la victoria de Málaga recortó la longitud del frente andaluz y permitió a los nacionales apoderarse de una base desde la que ejercer un más férreo bloqueo de la costa republicana. Los italianos sacaron conclusiones erróneas de este paseo militar como ya veremos.

Al mismo tiempo se desarrolló una nueva ofensiva en el frente de Madrid. Franco atacó hacia el este, en el valle del Jarama, con el objetivo de cortar la carretera Madrid-Valencia. La ofensiva se inició el 6 de febrero y el 11 ya había conseguido alcanzar el río Jarama. El 12 se conquistaron las alturas del Pingarrón, sin embargo, los nacionales no ganaron más terreno. Los días 14, 15 y 16 fueron de una dura lucha sin resultados. En esta batalla las Brigadas Internacionales sufrieron numerosas pérdidas. Pero habían impedido el avance de los rebeldes que se vieron obligados a adoptar una postura defensiva. El 17 de febrero la República contraatacó y en este ataque tuvieron su bautismo de fuego los 450 hombres del "Batallón Abraham Lincoln" formado por voluntarios norteamericanos reclutados en Nueva York. Pero la batalla del Jarama había llegado ya a una situación de equilibrio y la República tuvo que ceder en su empeño a costa de la pérdida de 15 kilómetros de terreno.

A partir de marzo de 1937 se produjo el último intento nacional de rodear la capital. Esta vez el ataque fue desencadenado por el noroeste, con Guadalajara como principal objetivo. Los italianos, tan presuntuosos tras su fácil victoria en Málaga, convencieron a Franco de que les dejara actuar de manera autónoma. Sus fuerzas, que contaban alrededor de 35.000 hombres al mando del general Roatta, estaban apoyadas por 81 tanques y 200 piezas de artillería ligera. Unos 50 cazas proporcionarían el apoyo aéreo. El primer asalto de los italianos les confió en exceso, el frente republicano se rompió pero entonces el tiempo cambió y se puso a llover. El apoyo aéreo quedó por tanto suspendido pero los italianos siguieron avanzando.

La situación parecía crítica para la República y los comunistas exigieron el cese del general Martínez Cabrera, jefe de Estado Mayor, y que se le sustituyera por Vicente Rojo que había ganado merecida fama durante la defensa de Madrid. Rojo, aunque no era comunista, era un hombre competente y capaz de apreciar las ventajas militares que suponía la estrecha colaboración con el PCE. Por tanto decidió enviar al frente las mejores divisiones del Ejército Popular, la 11º División al mando de Enrique Líster y la 14º al mando del anarquista Cipriano Mera. El 10 de marzo las divisiones italianas tomaron Brihuega y chocaron con la 11º Brigada Internacional que en su composición contenía a los italianos antifascistas del batallón "Garibaldi". Los italianos lucharon ese día su particular guerra civil. Más al oeste los italianos fascistas tomaron Trijueque, su conquista más alejada de toda la batalla. Pero el 12 Líster con fuerzas acorazadas contraatacó y los italianos, con la posición demasiado expuesta, tuvieron que iniciar la retirada. Muchos se rindieron y el general Roatta se vio obligado a lanzar a la lucha a sus divisiones de reserva, con esta maniobra daba a entender que la batalla de Guadalajara ya no cumpliría los objetivos previstos. Sus reservas fueron nuevamente rechazadas y el 18 de marzo la República se lanzó a la ofensiva, reconquistó Brihuega y el frente italiano se convirtió en una retirada desordenada.

La batalla había finalizado. Los italianos tuvieron unos 3.000 muertos y la República unos 2.000. Fue un ejemplo claro de cómo no debe hacerse un ataque mecanizado, los italianos carecían de reservas sólidas de combustible y el apoyo aéreo y antiaéreo dejó mucho que desear. Fue irónico ver como Franco y su Estado Mayor no acogieron mal la noticia de la derrota italiana en Guadalajara pues hasta entonces los italianos, tan presuntuosos desde lo de Málaga, parecían dárselas de ser los únicos entendidos en materia militar. La batalla de Guadalajara fue la última en los alrededores de Madrid. A partir de entonces y hasta el final de la guerra el frente sólo se movería levemente ante contraataques republicanos. Franco, consciente de la imposibilidad de cercar la capital, decidió cambiar de objetivos y concentrarse en el frente norte. La República había ganado momentáneamente la partida.