В 1936 году под псевдонимом «Генерал Купер» принимал участие в гражданской войне в Испании в качестве военного советника командующего Мадридским фронтом. Однако в мае 1937 года вернулся в СССР, где с 23 мая по предложению И. В. Сталина вновь занял пост начальника Артиллерийского Управления РККА (с 1940 — Главное Артиллерийское управление Красной Армии (ГАУ КА)), сменив на нём арестованного за день до того Н. А. Ефимова. Принимал активное участие в проходившем 1—4 июня заседании Военного Совета при наркоме обороны по делу М. Н. Тухачевского. 14 июня Г. И. Кулику было присвоено очередное воинское звание командарм 2 ранга. В 1938 году вместе с начальником Автобронетанкового управления Дмитрием Павловым, его помощником Павлом Аллилуевым и комиссаром ГАУ Георгием Савченко обратился с письмом к И. В. Сталину с выражением беспокойства по поводу продолжения репрессий против комсостава, заявив, что они подрывают боеспособность РККА.