Im Spanischen Bürgerkrieg befehligte Luigi Longo eine kommunistische Einheit bei der Schlacht von Madrid vor dem Eintreffen der XI. Internationalen Brigade in Madrid am 8. November 1936. Unter seinem Kommando versuchten zwei kommunistische Bataillone und eine Batterie mit 105-Millimeter-Vickers-Feldgeschützen die Nationalisten vor den Toren Madrids aufzuhalten. Als Inspekteur der Internationalen Brigaden unter Randolfo Pacciardi in den Republikanischen Truppen nahm Longo hierauf weiter am Spanischen Bürgerkrieg teil. Zu jener Zeit erhielt er den Kampfnamen "Gallo". Nach der Niederlage der Spanischen Republik gegen Francisco Franco ging Longo nach Frankreich.