Bei Ausbruch des Spanischen Bürgerkriegs im selben Jahr blieb er der republikanischen Regierung treu und wurde einer ihrer militärischen Führer während des Konflikts. 1936 gelang es ihm, den Vormarsch General Emilio Molas auf Madrid aufzuhalten und die darauffolgende Verteidigung der Stadt zu organisieren. Rojo plante auch die letzten republikanischen Offensiven, die zu der Schlacht von Teruel und der Ebroschlacht führten. Er war einer der vier Militärs die mit der Placa Laureada de Madrid ausgezeichnet wurden.