Tras estallar en 1936 la guerra civil de España y con la decisión de Stalin de apoyar a la República, Stern fue enviado a España por el gobierno soviético para ser integrado de inmediato en las Brigadas internacionales gracias a sus habilidades políticas y su valiosa experiencia militar. Una vez en España, Stern adoptó el nombre de Emilio Kléber, invocando ser un soldado aventurero de origen austriaco pero nacido en Canadá, versión que confirmaron ante la República sus jefes soviéticos. Como militar, mandó la "XI Brigada Internacional" en el Ejército Popular de la República al empezar los combates de la Casa de Campo (luchando en la Batalla de la Ciudad Universitaria de Madrid), durante la defensa de Madrid en noviembre de 1936. Al ser repelido el ataque del bando nacional contra la capital española con una muy buena actuación de las Brigadas Internacionales, Stern ganó gran fama internacional como «salvador de Madrid», en concordancia con la propaganda auspiciada por la URSS, destacando un reportaje del periodista estadounidense Herbert Matthews, simpatizante del bando republicano, elogiando a Kléber y calificándolo como «"un personaje posiblemente destinado a desempeñar un gran papel en el turbulento periodo que afronta el mundo»".