בברצלונה תפס הגנרל גודד את השליטה על חיל המצב המקומי, שיצא מבסיסו במטרה לתפוס את העיר. אלפי חברי מיליציות חמושים יחד עם אנשי משמרות ההסתערות יצאו לקראת הצבא, וחילופי אש פרצו בין הצדדים. המורדים הובסו, הגנרל גודד נכנע ונפל בשבי, ומאוחר יותר אף הוצא להורג. המצב במדריד היה דומה, אך בה, עוד בטרם יצא חיל המצב מבסיסו, צבאו המונים על המתחם בו ישב. אלפי לוחמי מיליציה צרו על הבסיס ודרשו מ-2,000 החיילים שהיו בו למסור את נשקם. יחד עם אנשי משמרות ההסתערות תקפו המיליציות את המתחם בסיוע ארטילריה ומטוסי קרב. מאות נהרגו בעימותים, וב-20 ביולי נכנעו החיילים ומפקד הכוח הוצא להורג. בשאר המדינה פרצו עימותים דומים, ובסיכומו של דבר השיגו המורדים שליטה על קסטיליה הישנה, נווארה, גליסיה וחלקים ממערב אנדלוסיה. לעומת זאת רוב חבלי החוף הצפוני, כולל חבל הבסקים, אסטוריאס וקנטבריה העשירים במכרות, שמרו על נאמנותם לממשלה. כאמור, מדריד וברצלונה נשארו אף הן בידי הרפובליקנים, כמו גם רוב מזרח ספרד ודרומה. למרות זאת, היה ברור לכול כי גם במרחבים בהם הובסו המורדים, הייתה הממשלה משוללת כוח ממשי, והמיליציות היו אלו ששלטו ברחובות.
הקרבות על מדריד.
משהובס חיל המצב בברצלונה, העיר הייתה בטוחה מהישג ידם של הלאומנים. לא כך היה המצב במדריד, שאמנם גם בה חיל המצב הובס, אך היא ישבה במיקום פגיע במרחק קצר משטחים שנפלו לידי המורדים. על כן, מיד לאחר תום הקרבות עם חיל המצב, אלפי לוחמי מיליציה יצאו להשתלט על דרכי הגישה אל העיר ועל השטחים שסבבו אותה. תחילה הם השתלטו על מעברי ההרים ברכס הסיירה דה גואדרמה החולש על מדריד מצפון וממערב. בהמשך הם גם השתלטו על הערים גוודלחרה ואלקלה דה אנארס ששלטו על הגישה לעיר מכיוון צפון-מזרח. הגנרל מולה, שהתאכזב מכישלון ההפיכה במדריד וראה בתפיסת העיר מטרה ראשונה במעלה, הורה לכוח בנווארה שהיה נתון למרותו לצאת דרומה לכבוש את העיר. הכוח נבלם על ידי מיליציות רפובליקניות. כוח לאומני אחר, שיצא מוואיאדוליד וניסה להתקדם אל העיר מצפון-מערב, נבלם אף הוא. ברם, הבינו הלאומנים כי על מנת לכבוש את העיר ייאלצו לחכות להגעת כוח צבאי מדרום.
לנוכח כישלון המורדים לתפוס את השליטה ברוב הערים הגדולות, היה ברור לכול כי עיקר תקוותם יושבת כעת על כתפי חיילי צבא אפריקה בפיקודו של פרנקו. העליונות הימית של הרפובליקנים במצר גיברלטר מנעה את העברתם ממרוקו לספרד דרך הים, לכן המתינו הלאומנים להגעת מטוסי תובלה מגרמניה. ב-29 ביולי הגיעו כמה עשרות מטוסים כאלו, והחלו במבצע חסר תקדים להטסה של כלל הכוח לסביליה שנשלטה על ידי הלאומנים והייתה לראש הגשר של צבא אפריקה בספרד. ב-6 באוגוסט נחת פרנקו בסביליה גם הוא, ועד 15 בספטמבר כבר שהו 18,000 חיילים מצבא אפריקה בסביליה ובסביבתה. נחיתת צבא אפריקה ביבשת שינתה את מאזן הכוחות בספרד לטובת הלאומנים, שכעת עמד לרשותם כוח צבאי מיומן, מצויד וממושמע.
תוכניתו של פרנקו הייתה לשעוט במהירות למדריד דרך מערב ספרד, תוך שהוא מאחד את שטחי השליטה הדרומי והצפוני של הלאומנים. צבא אפריקה התחלק לשניים: כוח אחד נשאר בסביליה לבסס את שליטת הלאומנים באנדלוסיה, וכוח שני ובו 8,000 חיילים בפיקודו של הגנרל חואן יאגואה יצא מסביליה צפונה. פחות משבוע לאחר מכן, ב-10 באוגוסט, הכוח כבר היה במרידה, מרחק 170 קילומטר מסביליה. בדרך כבש הכוח בצורה אגרסיבית שורה של כפרים ועיירות שעמדו בדרכו, תוך שהוא נהנה מסיוע ארטילרי ואווירי קרוב. במרידה נרשם קרב משמעותי, אך העיר נפלה לידי הלאומנים תוך יממה. מזרחה משם, בבדחוס, התבצרו 6,000 לוחמי מיליציות רפובליקנים שהתקדמות כוחות צבא אפריקה ממזרח להם ניתקה את קווי האספקה שלהם. הם ישבו בתוך חומות העיר, וב-14 באוגוסט החל הקרב בינם לכוח של צבא אפריקה שהגיע למקום. ניסיונות ראשונים של הלאומנים להסתער על החומות נכשלו, אך בהמשך אותו יום נפלה העיר לידיהם. לאחר תום הקרב נטבחו באכזריות אלפים מתושבי בדחוס, ועל כן הגנרל יאגו, מפקד הלאומנים בעיר, נודע בתור "הקצב מבדחוס". באותו הזמן כוחות אחרים של צבא אפריקה יצאו מסביליה מזרחה וכבשו את המרחבים שסביב גרנדה.
לאחר נפילת מרידה ובדחוס, פנו כוחות צבא אפריקה מאקסטרמדורה לצפון-מערב, לכיוון מדריד. ב-21 בספטמבר הגיעו הכוחות למרגלות הדרומיים של רכס סיירה דה גרדוס, והיו כבר כשישים קילומטר ממדריד. במקום לעלות ישירות להתקפה על עיר הבירה, החליט פרנקו להורות לכוחותיו לפנות 45 קילומטר מזרחה, אל טולדו. בעיר היה כוח לאומני נתון במצור מזה כחודש, לאחר שנכשל בתחילת ההפיכה בניסונו להשתלט עליה. הלאומנים, שמנו 1,200 חיילים, 100 חברי מיליציה פלנחיסטים ו-500 נשים וילדים חברי קהילה דתית מקומית, התבצרו במבצר אלקסר שבעיר. הם סבלו מהפגזות ארטילריות ומתקפות חוזרות ונשנות, והפכו לסמל של גבורה על עמידתם הנחושה. בתחילת המצור קיימו הרפובליקנים שיחת טלפון בין חוסה מוסקארדו, מפקד המבצר, לבנו. הם איימו על מוסקארדו שאם לא ייכנע בנו יהרג. מוסקארדו סירב להיכנע ובנו הוצא להורג מאוחר יותר באותו חודש. ב-27 בספטמבר, לאחר חמישה שבועות של מצור, הגיעו כוחותיו של פרנקו לטולדו וכבשו אותה. הניצחון בטולדו האדיר את שמו של פרנקו, ועבור הלאומנים היה במה שתפסו כשחרור המרכז הקתולי משמעות סמלית רבה. עם זאת, לעיכוב שטולדו הסבה למתקפה על מדריד הייתה חשיבות רבה, היות שהרפובליקנים בבירה זכו בזמן יקר-ערך לביצור עירם לקראת המתקפה הקרבה.
ב-29 בספטמבר, עטור הניצחון בטולדו, הוכרז פרנקו כראש המטה הכללי וראש המדינה, על אף מחאותיו של אמיליו מולה. פרנקו, שנודע מעתה כגנרליסימו וקאודיו, קבע את מקום מושב ממשלתו בבורגוס ואת מפקדת הצבא בסלמנקה. אל מול האחדות מאחורי פרנקו בימין, השמאל היה עדיין מצוי בפילוג. ברקע כישלון הממשלה בדיכוי המרד והתבוסות של הרפובליקנים בשדה הקרב, התפטר ראש הממשלה המתון חוסה חירל מתפקידו. במקומו התמנה לתפקיד הסוציאליסט פרנסיסקו לרגו קביירו, שהיה נחשב לרדיקלי וזכה לכינוי "לנין הספרדי". לרגו קביירו היה נחוש לאחד את מחנהו הפוליטי, וב-4 בספטמבר הקים ממשלה בשותפות רוב מפלגות השמאל, עם שישה שרים סוציאליסטים, ארבעה רפובליקנים, אחד קטלוני ואחד בסקי. תחילה נכשל לרגו קביירו בניסיונו להכניס גם את האנרכיסטים לממשלה, אך כחודשיים לאחר הקמתה הם נעתרו לבקשתו ובצעד חסר תקדים הצטרפו אליה. לראשונה הייתה לרפובליקנים ממשלה מאוחדת, שתוכל, כך קיוו, לייצב את הרפובליקה ולהוביל את המדינה לניצחון במלחמה.
לאחר שטולדו נפלה לידי הלאומנים, הייתה הדרך מדרום אל מדריד פתוחה. פרנקו ניצל את ההזדמנות והורה לכוחותיו מצבא אפריקה לנוע צפונה. הגנרל מולה התגאה לקראת המתקפה על העיר כי סביב מדריד יש ללאומנים ארבעה גייסות, ו"גיס חמישי" נוסף בתוכה, המייצג את תומכיהם ואלו שלכאורה יצטרפו אליהם ברגע שכוחותיהם ייכנסו אליה. ב-29 באוקטובר החלו הלאומנים להפציץ מהאוויר את מדריד, מתוך תקווה שהדבר יזרז את נפילת העיר. הכוחות הלאומניים כבשו כפר אחר כפר בפאתי מדריד, וב-6 בנובמבר כבר 25,000 חיילים לאומניים היו בתחומה, אך התקדמותם הואטה עקב הפצצות אוויריות של טייסים סובייטים שהוזעקו להציל את העיר. לצד הגעת הטייסים, הזרימה הממשלה כוחות חי"ר רבים למדריד, ועיבתה את קווי ההגנה שלה. בין הכוחות שהגיעו היו ראשוני לוחמי הבריגדות הבינלאומיות, שהשפעתם על מורל תושבי העיר הייתה בלתי מבוטלת.
ניסיון של הכוחות הלאומניים ב-9 בנובמבר לחדור למרכז העיר דרך כמה שכונות נכשל לאחר קרבות מדממים. ב-16 בנובמבר הצליחו הכוחות הלאומניים לחצות את נהר מנסנרס אל תוך מרכז העיר, והם ניהלו קרבות קשים בקריית האוניברסיטה. לאחר כשבוע של חילופי אש עזים הקרבות הגיעו לקיפאון, כאשר כל צד נחוש שלא לסגת. פרנקו הגיע למסקנה כי העיר איננה ניתנת לכיבוש ישיר בשלב זה של המלחמה, בהינתן הכוחות הרבים שרוכזו בה. בימים הבאים, ברקע התסכול הלאומני מהכישלון לכבוש את העיר, הוביל לגיון הקונדור הגרמני סדרה של הפצצות אוויריות על מטרות אזרחיות במדריד, שהייתה נתונה גם להפגזות ארטילריות. תנאי החיים בעיר היו קשים, ומעתה ועד סוף המלחמה הייתה מדריד נתונה במצור.
לנוכח הכישלון לתקוף את העיר ישירות, פנו הלאומנים בחודשים הבאים לניסיונות לכבוש את המרחבים שממזרח למדריד, על מנת להשלים את כיתורה ולהדק את המצור עליה. בדצמבר 1936 ובינואר 1937 יצאו הלאומנים למתקפה מצפון למדריד, הצליחו לכבוש כמה שטחים מוגבלים, ספגו אלפי הרוגים ולבסוף נבלמו. ב-6 בפברואר הם ניסו להתקדם גם לשטחים שמדרום לעיר, דרך עמק חרמה הממוקם כעשרים קילומטר דרומית למדריד. מטרת המתקפה הייתה להשתלט על הכביש שמקשר את מדריד מזרחה אל ולנסיה, שהיה עורק התחבורה העיקרי בין העיר לשאר האזור הרפובליקני. המתקפה יצאה לדרך ובסיוע ארטילרי כבד רשמו כוחות מצבא אפריקה כמה הצלחות ראשונות, אך נבלמו לבסוף על ידי כוח רפובליקני שהסתייע במטוסים ובטנקים מברית המועצות. הקרב בחרמה הסתיים ב-27 בפברואר, עם 15,000 הרוגים משני הצדדים.