ב-31 במרץ יצא הכוח למתקפה כשמטרתו היא בילבאו. הייתה זאת העיר הגדולה באזור זה של ספרד, והיא היוותה מרכז כלכלי משמעותי עם תעשיית פלדה מפותחת ומספנות חשובות. הלאומנים התקדמו בהתמדה מעיירה לעיירה ומכפר לכפר, כאשר הם מנצלים את הסיוע האווירי שלהם עד תום. בטרם היו הכוחות הלאומניים על הקרקע נכנסים לעיירה או כפר, היו המטוסים מפציצים בכבדות ומדכאים כל סיכוי להתנגדות. אחת מהעיירות באזור שנפלה קורבן להפצצות השיטתיות הייתה גרניקה שהפצצתה גרמה לזעזוע רב בעולם והפכה לאחד מסמלי המלחמה כולה. ב-26 באפריל הפציצו עשרות מטוסי יונקרס Ju 52 והיינקל He 111 את גרניקה, כאלף איש נהרגו ומרכז העיירה חרב כולו. כשלושה ימים לאחר מכן נכנסו הכוחות של מולה אל העיירה, וכעת היו כבר כעשרים קילומטר בלבד מבילבאו. בשלב הזה שלחה הממשלה במדריד מספר טייסות לאזור, אשר הצליחו להאט את התקדמות הלאומנים ולאתגר את העליונות האווירית שלהם. למרות נפילת העיירות והכפרים שממזרח לבילבאו, סמכו הרפובליקנים על "חגורת הברזל" (Cinturón de Hierro), קו ביצורים שהם הקימו סביב העיר. במאי כבר היו הכוחות הלאומניים ערוכים סביב קו ההגנה הזה, ובהלה אחזה בבילבאו. אלפי אזרחים נמלטו מהעיר מערבה, וילדים רבים פונו בספינות דרך הים אל מחוץ לספרד, לצרפת, בריטניה וברית המועצות. ב-3 ביוני נהרג הגנרל מולה בתאונה כשמטוסו התרסק, והגנרל פידל דאבילה ארונדו מונה להחליפו. ארונדו לא התמהמהה יתר על המידה, וב-12 ביוני יצאו הלאומנים בפיקודו למתקפה וחדרו את קו ההגנה של בילבאו. לאחר כשבוע נכנעה העיר.