Ende 1936 begab sich Lichtenstein nach Spanien, um als Freiwilliger in den Internationalen Brigaden am spanischen Bürgerkrieg teilzunehmen. Er diente bis 1937 im Thälmann-Bataillon innerhalb der XI. Internationalen Brigade und hatte die Funktion des Politischen Kommissars inne. Zeitweise war er journalistisch tätig beim Zentralkomitee der Kommunistischen Partei Spaniens, wo er Herausgeber der deutschen Ausgabe der Brigadezeitung „Volontaire de la Liberté“ wurde sowie als Rundfunkkommentator bei einem republikanischen Sender. Bei den Kämpfen in der Ebroschlacht 1938 wurde er als Angehöriger der Maschinengewehr-Kompanie der 35. Division verwundet. In der Schlussphase des Krieges, ebenfalls 1938, degradierte man ihn nach dem Rückzug aus Belchite, wegen „Feigheit vor dem Feind“. Die Degradierung wurde kurze Zeit danach jedoch wieder aufgehoben.