Zu Beginn des Bürgerkrieges kommandierte General Miaja wieder die Infanterie-Brigade von Madrid und organisierte die Verteidigung der Stadt. Die nationalistischen Truppen unter General Juan Yagüe wollten im August 1936 auf Madrid vorstoßen, aber Franco bestand darauf, dass man zuerst der eingeschlossenen Garnison in Toledo zu Hilfe käme. Dadurch gewann die republikanische Seite Zeit, die Verteidigung von Madrid vorzubereiten. Im Glauben, die Stadt würde bald fallen, verlegte die republikanische Regierung ihren Sitz am 6. November bereits nach Valencia. General Miaja blieb in der Stadt und formte die "Junta de Defensa de Madrid", ein Komitee für die Verteidigung Madrids. Offiziell war Miaja während des Bürgerkriegs Oberbefehlshaber der republikanischen Armee in Madrid. Die sowjetischen Militärberater unter General Gorew hatten aber maßgeblichen Einfluss auf die militärischen Entscheidungen der republikanischen Seite. General Smuschkewitsch befehligte die von der Sowjetunion gestellte Luftwaffe und General Pawlow befehligte die gepanzerten Einheiten. Im Juni 1937 gelangte der republikanische Generalstab zu der Überzeugung, dass mit einem Angriff auf Brunete der nationalistische Druck auf Kantabrien und Madrid verringert werden könnte. Miaja führte in der Schlacht von Brunete und am Guadarrama einen vergeblichen Angriff um den Belagerungsring zu sprengen. 1938 wurde die Belagerung von Madrid enger, die Zivilbevölkerung litt immer mehr unter der Lebensmittelknappheit und Kälte. Bei der republikanischen Armee fehlten immer mehr Waffen und Munition.