Després del fracàs va ser traslladat a València, on va prendre el comandament de la Tercera Divisió Orgànica. A la fi d'octubre va tornar a Madrid com a cap de la Primera Divisió Orgànica. El novembre de 1936, en evacuar el govern la capital davant la imminent arribada de les tropes franquistes, va ser nomenat president de la Junta de Defensa de Madrid. Amb el tinent coronel Rojo com a Cap d'Estat Major, va aconseguir detenir l'enemic en el Manzanares després de feroços combats en la Ciutat Universitària (en la denominada Batalla de la Ciutat Universitària), aconseguint gran popularitat entre el poble madrileny. Sense Miaja no s'hagués impedit l'entrada de Franco a Madrid.