Inicialmente había mandado la 18.ª Brigada Mixta durante su etapa de formación. El 31 de diciembre de 1936, el general Miaja le encargó el mando de la 4.ª División, situada al oeste de la capital. Fue su división la que recibió de lleno la nueva ofensiva franquista hacia la Carretera de La Coruña el 3 de enero de 1937. La división de Modesto sufre grandes bajas y las brigadas mixtas integradas en ella llegan a perder la cohesión entre sí, pero a mediados de mes la fuerza de la ofensiva franquista finalmente se agota y los republicanos logran mantener sus posiciones. A comienzos de febrero los franquistas volvieron a atacar, esta vez por la zona del Jarama, al sur de la capital. Los republicanos se vieron sorprendidos con esta nueva ofensiva y no esperaban un ataque con tal furia como la que llevó a cabo la columna de García-Escámez. Modesto es enviado al Jarama para apoyar la defensa junto a su división. La coordinación de las unidades republicanas dependientes del mando de Modesto nuevamente revela su capacidad de mando, en tanto que la ofensiva franquista llega a atravesar el Jarama pero es detenida y finalmente fracasa. Tras los combates del Jarama y su destacada participación, fue ascendido a teniente coronel y el 22 de marzo se le asignó el mando del recientemente creado V Cuerpo de Ejército, de nueva creación. El más tarde famoso V Cuerpo era la agrupación donde quedarían encuadradas divisiones comunistas como la 11.ª de Líster o la 46.ª de "El Campesino".