Para aliviar la presión franquista sobre la zona republicana en el Norte, el Estado Mayor Central republicano planeó una ofensiva en el Frente de Madrid con la intención de rodear a las divisiones sublevadas que rodeaban la capital. La división fue encuadrada en el nuevo V Cuerpo de Ejército, junto a las divisiones 15.ª y 46.ª. En esta operación contaba entre sus filas con las brigadas mixtas 1.ª y 9.ª, veteranas ya en la unidad. La unidad comenzó la ofensiva al amanecer del 6 de julio, tras un duro ataque de artillería y aviación; Al cabo de unas horas habían avanzado unos 16 kilómetros y habían rodeado Brunete. En lo que acabó siendo la conocida como Batalla de Brunete, la unidad tuvo buenos movimientos tácticos enfrentándose a las tropas del coronel Fernando Barrón. Sin embargo, Líster no continuó el avance hacia Boadilla del Monte como estaba establecido en el plan, y agotados por la falta de iniciativa para continuar el avance hacia otros objetivos, sus hombres se atrincheraron en Brunete.