Начиная с 23-го числа, эти силы были брошены против революционной столицы, ПВО которой находилась в зачаточном состоянии и не смогла оказать серьезного противодействия. В результате немецкие летчики ходили над Мадридом на высоте всего 500-700 м, выбирая наиболее густонаселенные кварталы, а то и вовсе гонялись за наиболее приглянувшимися целями. Так, в ходе налета 30 октября один из экипажей отбомбился по школе, убив свыше 60 детей, а другой уложил серию бомб в автовокзал, где позже собрали около сотни трупов. К этому времени количество убитых гражданских жителей составляло уже около 2000 человек, а число раненных исчислялось более чем 10 тысячами. Негативную роль играло то, что большинство жителей, игнорируя опасность, выходили на улицы, появлялись на балконах и крышах домов, откуда посылали проклятия немецким летчикам, откровенно презирая их за то, что те «воюют только с безоружными женщинами, детьми и стариками».
Тем временем, республиканцы смогли сосредоточить резервы и 29 октября при поддержке советских танков перешли в контрнаступление. Замысел операции состоял в том, чтобы нанести удары по сходящимся направлениям и окружить части мятежников (командующий – генерал Варелла), занимавшие правый фланг обороны франкистов. Основная задача возлагалась на 1-ю смешанную бригаду Энрике Листера и 5-й полк Карлоса Контрераса (всего 12.000 чел. и 15 танков Т-26). Вспомогательный удар наносили несколько пехотных батальонов (4500 чел.), поддержанных бронепоездами.
Однако переданное ночью по радио накануне атаки сообщение о готовящейся операции(!) насторожило мятежников, и те приняли необходимые меры. Тем не менее, утром республиканские СБ и Р-5 атаковали аэродромы Таблада и Севильи, нейтрализовав на несколько часов авиацию франкистов. Однако неотработанность взаимодействия танков с пехотой и авиацией не позволило развить первоначально достигнутый успех, и наступление вскоре захлебнулось, практически не сказавшись на оперативной обстановке. Приведя свои силы в порядок, генерал Варела уже 31 октября возобновил атаки, и вскоре его марокканцы смогли еще больше сократить отделявшее их от столицы расстояние. К исходу дня 1 ноября республиканцы были практически выбиты с первой линии обороны и были вынуждены оставить Брунет, Уманес, Парля, Пинто и Вальдерморо. Лишь на левом фланге благодаря поддержке советской танковой группы удалось удержать район Сиемпосуэлос, что в перспективе создавало угрозу правому флангу фалангистов. В целом же, из-за отсутствия резервов обстановка для складывалась трагически. Штаб каудильо, мечтавший овладеть Мадридом 7-8 ноября, надеялся при этом убить двух зайцев: разделаться с Республикой, а также залепить моральные пощечины СССР и Коминтерну. Ситуация ухудшалась еще и оттого, что мятежники постепенно охватывали город в кольцо, намереваясь перерезать немногочисленные связывавшие его с югом страны коммуникации, после чего судьба столицы была бы решена.