Tras el estallido de la Guerra Civil en julio de 1936, del Barrio se convirtió en el principal líder y uno de los principales organizadores de la llamada Columna Carlos Marx, que estuvo compuesta por militantes del PSUC y la UGT. Esta unidad de milicianos partió de Barcelona y estuvo destacada el Frente de Aragón, donde intervino en varias operaciones militares. Posteriormente integrado en el Ejército Popular de la República, durante el resto de la contienda del Barrio dirigió varias unidades militares como la 124.ª Brigada Mixta, la 27.ª División (antigua columna Carlos Marx), o el XVIII Cuerpo de Ejército, logrando alcanzar el grado de teniente coronel. Cuando se produjo la Batalla del Ebro, su XVIII Cuerpo de Ejército se encontraba disponible como reserva estratégica. Con su marcha al frente de guerra, debió ceder el liderazgo de la UGT catalana a su compañero Antonio Sesé; no obstante, tras el asesinato de este durante las Jornadas de mayo de 1937, del Barrio hubo de volver a asumir el cargo.