Генконсул СССР в Барселоне Антонов-Овсеенко сообщал в Москву, что наступление под Уэской было скверно подготовлено, а авиация действовала трусливо. Танки с «испанской прислугой» (выражение Антонова-Овсеенко) работали плохо. Франкисты, судя по показаниям пленных, ждали республиканской атаки. XII-я интербригада была морально подавлена смертью своего любимого командира, а 72-я испанская бригада прибыла в небоеспособном виде (она состояла из необстрелянного пополнения и имела четыре типа стрелкового вооружения без патронов). Разведка не выявила наличия у противника железобетонных огневых точек, которые нанесли республиканцам большие потери. После провала наступления на Уэску прибывшие на Восточный фронт с центрального участка бригады были, несмотря на протесты Посаса, отозваны обратно
Другая атака к северу от Мадрида в направлении на Сеговию началась более успешно. 31 мая 1937 года три республиканских дивизии под командованием полковника Морионеса прорвали фронт мятежников и дошли до Ла Гранхи. Ударной частью республиканских сил была XIV-я интербригада. Но командующий мадридской группировкой франкистов генерал Варела оперативно подтянул части с южного фаса своего фронта и отбил атаку. Не очень хорошо в этой операции действовала авиация республиканцев, иногда бомбившая позиции собственных войск. Большие потери понесли советские штурмовики Р-5 и «Р-зет».
Провал атаки на Сеговию окончательно предопределил падение Бильбао.
Для спасения оставшейся части республиканского Севера с конца апреля активно шла подготовка к решающему удару на Мадридском фронте. На этот раз операция разрабатывалась в обстановке полной секретности. Войска перемещались ночью и занимали боевые позиции под видом участия в учениях. Даже начальник штаба Центрального фронта полковник Матальяна до последнего дня ничего не знал о предстоящей операции, которую готовил сам Рохо вместе с советскими военными советниками (наиболее существенную роль играл Малиновский).
Собственно план операции был не совсем уж и новым. Он в принципе повторял январские наброски 1937 года, когда планировалось взять мадридскую группировку Варелы в клещи, нанеся главный удар с северо-запада и вспомогательный (с Харамы) с юго-востока. Но встречное сражение на Хараме тогда расстроило всю комбинацию. Теперь ее хотели повторить, но с привлечением уже гораздо большего количества сил и средств.
Основной удар с севера в направлении на Брунете (городок с 1000 жителей) наносили 5-й и 18-й корпуса республиканской армии. 5-м корпусом (в него входили 11-я дивизия Листера трехбригадного состава и еще две дивизии, состоявшие из двух бригад каждая) командовал Модесто.
18-й корпус (три дивизии, включая XIII-ю и XV-ю интербригады) возглавлял кадровый офицер подполковник Хурадо (позднее его сменил человек, сыгравший в истории Испанской республики роковую роль — подполковник Сехисмундо Касадо).
Навстречу двум ударным корпусам должен был двинуться из южных предместий Мадрида 2-й корпус подполковника Ромеро (две дивизии, пять бригад). Соединение двух группировок планировалось в районе городка Мостолес.
План был детально разработан, и советские военные советники настояли на выделении крупного резерва (две дивизии из четырех бригад, включая две интернациональные), который должен был развить первоначальный успех. Командирам ударных частей строго предписывалось не ввязываться в бои за укрепленные населенные пункты, оставляя их ликвидацию в тылу войскам второго эшелона. Главное было в первый же день прорвать оборону и углубиться на расстояние, не позволявшее мятежникам локализовать наступление.
Руководство республики придавало операции огромное значение. Речь шла не просто об отвлечении сил мятежников с Севера, а о разгроме их основной группировки и окончании войны. Министр обороны Прието сказал президенту Асанье, что если это наступление окончится неудачей, то следует оставить все надежды на победу в гражданской войне. Ведь в бой шла лучшая часть Народной армии — Центральный фронт при поддержке практически всей имевшейся в наличии боевой техники.
Всего было собрано 85 тыс. солдат и офицеров (к концу битвы их число возросло до 110 тысяч), 250 орудий, 130 танков, 40 бронеавтомобилей и 140 самолетов. Группировка Варелы насчитывала 55 тысяч солдат, 300 орудий, 100 танков и 100 самолетов. Таким образом, в целом большого преимущества у республиканцев не было. Но на направлении главного удара им удалось создать подавляющее превосходство (в людях 6:1, в противотанковой артиллерии 4:1). Весной 1937 года в Испанию прибыли новые партии Т-26 (7 мая на пароходе «Кабо Палос» — 50 танков) и в дополнение к прежней одной было образовано четыре бронетанковые бригады, каждая из которых имела в своем составе один танковый батальон и два батальона бронеавтомобилей (советского и испанского производства). Новые танковые экипажи состояли уже исключительно из испанцев. 70 танков и 20 бронеавтомобилей должны были поддерживать основную ударную группировку под Брунете, а 2-му корпусу было придано 30 Т-26 и 10 бронеавтомобилей.
Перед началом генерального наступления батальон спецназа Унгрии получил задание вывести из строя железнодорожную магистраль Талавера-де-ла-Рейна — Навальмораль-де-ла-Мата, чтобы лишить франкистов возможности перебрасывать резервы под Мадрид с юга. Только за один день разведчики установили на дороге 14 мин, на одной из которых сразу подорвался эшелон с войсками. Еще пять дней спецназ минировал магистраль, обеспечив успех республиканского наступления на его первом этапе.
Будущей театр военных действий в районе Брунете представлял собой выжженную солнцем равнину, практически лишенную растительности. Фронт мятежников здесь не имел сплошной линии, а состоял из отдельных опорных пунктов, в каждом из которых занимали круговую оборону 1–2 батальона.
Вечером 5 июля 1937 года перед войсками с напутствием выступили Прието, Рохо и Долорес Ибаррури, и ночью того же дня 11-я дивизия Листера скрытно просочилась сквозь боевые порядки мятежников. Когда утром 6 июля после артподготовки и авиаударов в атаку пошел 18-й корпус, бойцы Листера уже были в 16 километрах от линии фронта и внезапным ударом взяли Брунете. Части противостоявшей республиканцам 71-й дивизии (состояла в основном из фалангистов и 1000 марокканцев) были захвачены врасплох, но быстро пришли в себя. Только в ночь с 6 на 7 июля 18-й корпус смог взять деревню Вильянуева-де-ла-Каньяда. Но при этом большие потери понесла XIII-я интербригада. Досталось и танкам, по которым били две замаскированные в церкви немецкие противотанковые пушки. Республиканцы потеряли более десяти Т-26.
Дни 6 и 7 июля были решающими. Вместо того, чтобы согласно приказу стремительно двигаться на юг, республиканские командиры все же решили уничтожить оставшиеся у них в тылу опорные пункты мятежников в деревнях Вильянуэва-дель-Пардильо и Кихорна, которые располагались на флангах республиканского прорыва. Но эти деревни были сильно укреплены, и командованию пришлось раньше времени ввести в бой все резервы.
Однако и Франко был крайне обеспокоен наступлением республиканцев. Его еще никогда не видели таким удрученным («Они развалили мой Мадридский фронт»). Запланированное на 9 июля продолжение наступления на Севере было отложено, и вся германо-итальянская авиация была переброшена оттуда под Брунете. Уже в первый день республиканского прорыва мятежники оперативно стали направлять на угрожающее направление резервы. С севера прибыли две наваррские бригады, 150-я и 108-я дивизии из Галисии, уже готовившиеся нанести удар по Астурии.
Между тем наступавшие войска республиканцев 7 июля повернули вместо юга на восток (в направлении Мадрида) и форсировали реку Гуадаррама. Но преодолеть высоту Москито и занять местечко Романильос не удалось, так как в бой уже вступили франкистские резервы. На следующий день верховное командование республиканцев (его формально осуществлял Миаха, но на деле все было в руках Рохо) приказало не отвлекаться на восток, а продолжать движение в южном направлении. В это же время началось наступление 2-го корпуса к югу от Мадрида. Оно развивалось успешно, и республиканцы быстро перерезали Толедское шоссе. Однако в этом корпусе было много едва обученных новобранцев и к концу дня, увидев, что не подошли подкрепления, они самовольно вернулись в тыл. Возникла трудно объяснимая паника, и 2-й корпус оказался на своих первоначальных позициях.
А в тылу основной ударной группировки еще держалась Кихорна, атакуемая двумя дивизиями республиканцев. Листер продолжал наступление на юг, но франкисты уже начали переходить в контратаки. Обе стороны несли огромные потери. Господство в воздухе перешло к мятежникам, которые активно применили в Брунетском сражении немецкие истребители Ме-109. Там впервые столкнулись в испанском небе опытные советские и немецкие пилоты на самых современных в своих странах истребителях