Durante las siguientes semanas los republicanos estuvieron preparando fuerzas para una nueva ofensiva, esta vez cerca del Frente de Madrid. Según apunta Hugh Thomas estos concentraron 200 aviones, mientras que Antony Beevor da una cifra de 50 bombarderos y 90 cazas (aunque de estos, solo 50 operativos). El objetivo de este ataque era cercar a las fuerzas sublevadas que sitiaban Madrid en un movimiento de tenazas. Al amanecer del 6 de julio la 11.ª División del comandante Líster comenzó el ataque tras un bombardeo previo de la artillería y la aviación, penetrando en las líneas franquistas y alcanzando Brunete al cabo de unas horas. En los días sucesivos fueron cayendo otras localidades ante las divisiones, como Villanueva de la Cañada, Quijorna o Villanueva del Pardillo. La aviación también se mostró muy activa: el día 8 el yugoslavo Boško Petrović derribó el primer Messerschmitt Bf 109 en la historia, una victoria que pocos días repitió el americano Frank Glasgow Tinker. A partir del día 15 los avances republicanos se detuvieron, mientras que en el aire los combates se recrudecieron con la llegada de refuerzos de la Legión Cóndor y tropas desde el Frente norte. El día 18 comenzó la contraofensiva franquista, que inmediatamente chocó con la resistencia del Ejército Popular, fuertemente atrincherado. Ese mismo día la Legión Cóndor derribó 21 aparatos republicanos, volviendo a dar a los sublevados el dominio del aire. El 25 de julio las operaciones militares finalizaron tras la reconquista franquista de Brunete. Los republicanos sufrieron numerosas bajas, al igual que unas elevadas pérdidas materiales con alrededor de 100 aparatos destruidos frente a los 23 que perdieron los sublevados y sus aliados.