A finales de octubre volvió a Madrid como jefe de la Primera División Orgánica. En noviembre de 1936, al evacuar el Gobierno la capital ante la inminente llegada de las tropas franquistas, fue nombrado presidente de la Junta de Defensa de Madrid y jefe de la defensa de la capital. En aquel momento eran muchos los que pensaban que Miaja no lograría defender la capital de los legionarios y regulares marroquíes. Sin embargo, con el teniente coronel Rojo como jefe de Estado Mayor, los republicanos lograron reorganizar sus defensas y sus principales unidades en la capital. Las milicias y brigadas republicanas logaron detener al enemigo en el Manzanares tras feroces combates. Una ruptura del frente en la Ciudad Universitaria —la posteriormente denominada batalla de la Ciudad Universitaria— hizo peligrar la situación, por lo que por un momento pareció que la resistencia iba a quebrarse. Miaja visitó el frente, en el sector amenazado por los regulares marroquíes, y tras sacar su pistola, arengó a sus hombres: «¡Cobardes, volved a vuestras trincheras. Morid con vuestro general!». La arenga de Miaja logró revertir la situación en ese sector. Finalmente, la capital logró salvarse, por lo que Miaja alcanzó una gran popularidad entre el pueblo madrileño. Buena parte de esta popularidad fue producto de la propaganda comunista, de la que Miaja se aprovechó. Algunos autores señalan la presencia de Miaja en la capital como el motivo principal por el que el ejército franquista no entró en Madrid. Otros, sin embargo, consideran que el verdadero organizador de la resistencia fue Vicente Rojo. El éxito de Madrid le valdría posteriormente (en 1938) la concesión de la Placa Laureada de Madrid.