Con el entrenamiento en marcha, y los tanques incorporándose rápidamente al combate, los primeros 50 vehículos del Ejército Popular se organizaron en el primer batallón de tanques. El batallón estaba formado por tres compañías de tanques (cada compañía con diez tanques) y un cuartel general para cada compañía. Cada compañía tenía tres secciones, con tres tanques, repuestos y un tanque de mando. A mediados de noviembre se organizó un segundo batallón. En diciembre de 1936, el general Pavlov organizó nuevos vehículos blindados soviéticos en una brigada blindada, la componían cuatro batallones de tanques y una compañía de reconocimiento. Esta brigada, conocida como "Brigada de Carros de Combate", se componía de 56 tanques y 68 vehículos blindados, e inmediatamente entró en combate en torno a Madrid, incluso en las batallas del Jarama y Guadalajara. Sin embargo, la brigada se utilizó para apoyar a las fuerzas republicanas de infantería y no como un grupo armado móvil, y como resultado su papel estratégico durante la guerra se vio limitado por su mal uso. En julio de 1937, la brigada participó en la Batalla de Brunete, la batalla más grande con tanques desde el principio de la guerra, tomando parte unos 150 tanques republicanos. La batalla fue también uno de los pocos ejemplos durante la Guerra Civil Española de la utilización de tanques para explotar una penetración a lo largo del frente. La batalla tuvo un coste elevado para Ejército Popular, con alrededor de 159 vehículos blindados de combate destruidos o gravemente dañados.