I oktober gikk Francos styrker mot Madrid, og innledet et større angrep på byen 8. november. Den republikanske regjeringen hadde evakuert to dager før angrepet kom til Valencia, da det var forventet fra begge sider at nasjonalistene skulle lykkes med å innta hovedstaden. Men nasjonalistenes angrep på Madrid ble slått tilbake etter harde kamper fram til 23. november. Det noe sammenraskede forsvaret, bestående av hovedsakelig utrente sivilister: studenter, arbeidere, kvinner og militsmenn sto imot det nasjonalistiske angrepet. En årsak til dette var blant annet ankomsten av militære rådgiver fra Den røde armé, de første enhetene med det innkjøpte sovjetiske materiellet, og de første enhetene av de internasjonale brigadene, selv om bare rundt 3 000 av soldatene deltok i de aktive kampene. Da angrepet på Madrid viste seg å være mislykket, sørget Franco for at byen ble bombet, og prøvde i de neste to årene å omringe byen for å beleire den i stedet.