El 24 de septiembre de 1936, sustituye a Yagüe al mando de las tropas que, tras haber avanzado por Extremadura y el valle del Tajo, se disponen a liberar el Alcázar de Toledo (en el que resistía después de setenta días de asedio, cercado por milicianos de la República, el coronel José Moscardó). Antes de acabar 1936 intervino en las batallas que se desarrollaron en Madrid y en sus alrededores (Ciudad Universitaria). El fracaso en la toma de Madrid significó el alargamiento de la guerra, por lo que Varela fue nombrado para desempeñar otros mandos. El 10 de marzo de 1937 fue nombrado comandante de la división «Ávila». Varela llegó a tomar parte en numerosas batallas posteriores (Jarama, Brunete), así como en las de Teruel, Aragón y Levante. Finaliza la guerra civil como general de división y es nombrado ministro del Ejército en el primer gobierno de la dictadura del general Francisco Franco.