Later ging hij naar het zuiden, waar hij deelnam aan de laatste operaties van het Beleg van het Alcázar, die tot dan toe allemaal mislukt waren. Toen Toledo in handen van de opstandelingen viel, was Burillo aanwezig in verschillende acties van het Front van het centrum, in een poging om orde te brengen onder de militieleden in zijn colonne die gedemoraliseerd waren. Later nam hij met zijn colonne deel aan de verdediging van Madrid
Ik weet het. Eind 1936 verliet zijn colonne - die later zou worden gemilitariseerd en omgezet in de 45e gemengde brigade - de leiding; Hij ging verder met het leiden van de nieuw gecreëerde 9e divisie. Met deze eenheid zal hij aanwezig zijn in sommige sectoren van het Madrid Front, tot februari 1937, wanneer het begin van een Francoistisch offensief ten zuiden van Madrid plaatsvindt. Om het te stoppen, organiseerden de Republikeinen twee verdedigingsgroepen: een van hen stond onder het bevel van Burillo en was afhankelijk van het leger van het centrum onder het bevel van generaal Sebastián Pozas.