5 июля 1937 года с целью отвлечь внимание противника началось наступление республиканцев на вспомогательном направлении. Продвинувшись на 3 км, они были остановлены сильными контратаками мятежников. В ночь на 6 июля началось наступление на направлении главного удара. Сосредоточив на участке шириной 12 км 6 пехотных дивизий, около 100 орудий, 80 танков и 30 бронемашин, республиканские войска прорвали оборону мятежников. Развивая прорыв, пехота и танки республиканцев к исходу 6 июля овладели г. Брунете — важным узлом коммуникаций в тылу противника.
Генерал Франко был вынужден перебросить значительные силы с северного фронта в район Кихорна, Брунете, в результате чего продвижение республиканских частей было остановлено. 24 июля 1937 года противник нанес сильный контрудар в направлении Брунете, Кихорна, заставив республиканцев отойти в северном направлении и перейти к обороне.
В ходе Брунетской операции республиканскому командованию не удалось достигнуть конечной цели. Для решения поставленных задач имевшихся сил и средств оказалось недостаточно. Были допущены просчеты и в организации операции. Участвовавшие в ней войска использовались в одном эшелоне. В состав ударной группировки не было выделено необходимых сил для развития тактического успеха в оперативный. Тем не менее Брунетская операция сорвала планы мятежников и интервентов относительно сроков ликвидации северного фронта, они также были вынуждены отказаться от наступления на южном фронте — в Эстремадуре.
22 октября 1937 года за успешное руководство войсками и помощь, оказанную республиканскому правительству Испании в борьбе с фашизмом, Г.М. Штерн был награжден орденом Красного Знамени.
В конце 1937 года при участии комдива Штерна была разработана и проведена Теруэльская наступательная операция (15 декабря 1937 г. — 8 января 1938 г.). Ее целью была ликвидация теруэльского плацдарма мятежников, дававшего возможность выхода их войскам к Средиземному морю, и срыв готовившегося франкистским командованием наступления на Мадрид.
В наступлении со стороны республиканских войск участвовало 5 корпусов, в том числе части маневренной армии, развернутые на территории так называемого испанского Леванта (восточная часть Испании). К операции привлекалась почти вся авиация, 135 орудий, 92 танка и 60 бронемашин. Замысел Теруэльской операции заключался в нанесении трех ударов по сходящимся направлениям, окружении и уничтожении 52-й пехотной дивизии противника, оборонявшейся в Теруэльском выступе.
Скрытно сосредоточив крупные силы, 15 декабря 1937 года республиканские войска перешли в наступление. Внезапности удара благоприятствовали погодные условия: мороз достигал —20° С, видимость ухудшали непрерывные метели.