Al juny de 1937 la brigada es va veure immersa a l'Ofensiva de Segòvia. Al començament de les operacions es trobava concentrada a Fuencarral i sota el comandament del milícies Antonio Pérez Quijano. La 3a BM va participar en suport de la 69a Brigada Mixta, que va intentar l'assalt de l'Alto del León el 30 de maig i a Cap Gran el 2 de juny. L'ofensiva va fracassar, i el 4 de juny va tornar a les seves posicions en Fuencarral. Un mes la 3a BM va tornar a participar en una nova ofensiva, la Batalla de Brunete. El 10 de juliol va intervenir i va ocupar el Vèrtex Mocha, encara que el tornaria a perdre poc després. L'endemà va atacar Villafranca del Castillo, mantenint-se en aquesta zona fins al dia 20, quan un dels seus batallons va perdre les cotes 660 i 640; això va provocar la destitució fulminant del seu comandant Pérez Quijano. Cap al final de la batalla, la brigada es va retirar després del riu Aulencia.