El 21 de julio de 1936, unos días después del fracasado golpe de Estado, Matilde fue destinada al Hospital Obrero ocupado por el Quinto Regimiento en Madrid, y ese mismo verano se enroló en el batallón femenino de éste, realizando allí la instrucción militar. Junto a otras muchas mujeres, entre las que se encontraba Tina Modotti, se embarcó en el ingente esfuerzo de convertir aquel hospital —que había sido un asilo para tuberculosos regentado por religiosas— en un hospital de sangre para las milicias populares, que ya estaban frenando el avance fascista en la sierra norte de Madrid. El batallón femenino del Quinto Regimiento, siguiendo la idea de Dolores Ibarruri pretendía que las mujeres combatieran en el frente en situación de igualdad con los hombres. La presencia de mujeres en un cuerpo militarizado como aquel suscitó cierta polémica en las filas del PCE, y las dos únicas compañías de mujeres que llegaron a formarse acabaron disolviéndose.