Après la chute du front nord, il réussit à embarquer à Avilés sur un bateau à destination de Bordeaux d'où il est transféré en train vers la Catalogne. En , il rejoint la défense anti-aérienne de l'Armée populaire de la république dont il commande la « compagnie de mitrailleuses Maxim ». En , son unité est engagée dans la bataille de Teruel, où Marcelino rencontre Valentín González dit « El Campesino ». Après la désastreuse offensive sur Teruel, son unité bat en retraite jusqu'à Lérida, où il retrouve Valentin Gonzalez et Enrique Líster. À l’été 1938, son unité participe à la bataille de l'Èbre et elle est décorée de la médaille de la Valeur. Fin 1938, Marcelino est transféré à la batterie Oerlikon de la défense anti-aérienne.