Entre le 19 et le 14 avril 1937, l'unité converge vers le , mais ne parvient à s'emparer de ce point stratégique où campe l'artillerie ennemie bombardant Madrid. Alors que Franco lance l'offensive du Nord, la 11e division reçoit la Ière Brigade Mixte, et intègre le . Le 6 juillet, l'attaque est donnée sur les franquistes encerclant Madrid, et rapidement, les républicains atteignent Brunete. S'ensuit alors la bataille du même nom, face au colonel Fernando Barrón et à la , au cours de laquelle la 11e division se barricade dans la ville. Elle parvient à tenir cette dernière jusqu'au 25 juillet, mais est ensuite contrainte de se retirer, avec de lourdes pertes humaines et matérielles.