En octubre, las tropas franquistas lanzaron una gran ofensiva hacia Madrid, llegando a principios de noviembre y lanzando un gran asalto a la ciudad el 8 de noviembre. El gobierno republicano se vio obligado a trasladarse de Madrid a Valencia, fuera de la zona de combate, el 6 de noviembre. Sin embargo, el ataque de los nacionalistas a la capital fue rechazado en feroces combates entre el 8 y el 23 de noviembre. Un factor que contribuyó al éxito de la defensa republicana fue la efectividad del Quinto Regimiento y más tarde la llegada de las Brigadas Internacionales, aunque solo unos 3.000 voluntarios extranjeros participaron en la batalla. Al no haber podido tomar la capital, Franco la bombardeó desde el aire y, en los dos años siguientes, montó varias ofensivas para tratar de rodear Madrid, comenzando la guerra de tres años
El sitio de Madrid. La Segunda Batalla del Camino de Corunna, una ofensiva nacionalista hacia el noroeste, empujó a las fuerzas republicanas hacia atrás, pero no logró aislar a Madrid. La batalla duró hasta enero.