7 января 1938 года Рей Д'Аркур попросил представителя Красного Креста провести эвакуацию раненых, женщин и детей, на что республиканцы немедленно дали свое разрешение. 8 января полковнику под угрозой окончательного штурма было предложено сдаться при условии сохранения жизни всем пленным. Но полковник боялся уже не столько врагов, сколько Франко, запретившего капитуляцию, поэтому просил не упоминать в акте о капитуляции сдачу своего командного пункта — здания гражданского губернатора. В тот же день, 8 января 1938 года, гарнизон капитулировал, причем в акте подробно объяснялись причины этого шага: потеря 90 % офицеров, наличие 1500 раненых, упадок боевого духа вследствие применения «современных средств борьбы».
Франко (как и Гитлер 5 лет спустя в отношении фельдмаршала Паулюса в Сталинграде) счел поведение Д'Аркура малодушным. Но полковнику не пришлось ответить за это. При эвакуации Каталонии республиканцами год спустя он был убит «бесконтрольными элементами». Другие пленники Теруэля (в т. ч. его гражданский губернатор) были сданы республиканцами при отступлении во Францию местным властям и потом вернулись в Испанию.
С 1 по 10 января республиканцы безуспешно пытались отбить гору Муэла де Теруэль и окончательно перешли к обороне.
Республиканское командование, снова решив, что сражение закончено, вторично стало отводить от фронта войска на переформирование. Но Франко решил воспользоваться моментом и навязать противнику войну на уничтожение.
14 января 1938 года при поддержке 490 орудий и 250 самолетов франкисты стали методично сокрушать позиции республиканцев под Теруэлем. 5-й корпус сдерживал натиск, неся огромные потери, прежде всего, от воздействия авиации противника, господствовавшей в воздухе. Так 22-я, 96-я и 11-я бригады потеряли почти половину личного состава. Соотношение сил на некоторых участках, казалось, просто подавляло любую возможность сопротивления. Например, Марокканскому корпусу армии мятежников (5 дивизий) противостояли две бригады республиканских войск.
Чтобы облегчить положение своей Теруэльской группировки, командование Народной армии организовало 26 января контрудар к северу от столицы Нижнего Арагона, чтобы перерезать шоссе Теруэль-Сарагоса, являвшееся основной артерией снабжения наступавших сил мятежников. 26 января в наступление перешла 27-я дивизия республиканцев, для поддержки которой удалось найти всего лишь 26 стволов артиллерии и 14 танков. Бойцы Народной армии сражались героически, но они ничего не могли противопоставить 160 самолетам врага, выполнявшим до 800 боевых вылетов в день. Перешедшая в наступление 28 января 46-я дивизия «Кампесино» также не смогла прорвать фронт.
Тем не менее, контрудар республиканцев заставил мятежников временно прекратить атаки Теруэля, который обороняли 8 крайне ослабленных дивизий Народной армии. Ставка Франко решила ликвидировать опасно нависавшую над флангом северную группировку республиканских войск под Теруэлем. 5 февраля 9 дивизий франкистов при поддержке 200 самолетов, 75 артиллерийских батарей и десятков танков перешли в наступление к северу от Теруэля. 7 февраля, после крайне напряженных боев, мятежники прорвали фронт. Положение пыталась спасти находившаяся в этом районе на отдыхе 27-я дивизия, которая потеряла в ожесточенных боях 40 % личного состава. 10 февраля мятежники захватили значительную территорию к северу от Теруэля (находившуюся до 15 декабря в руках республики) и вышли к реке Альфамбра.
Рохо, который еще до начала февраля планировал осуществить удар в Эстремадуре, понял, что для этого уже не хватит сил армии, обескровленной под Теруэлем.
17 февраля франкисты начали третье генеральное наступление на Теруэль силами 11 дивизий. Непосредственно город защищала 46-я дивизия (три бригады) из 20-го корпуса коммуниста Франсиско Галана. Стратегические высоты на городских окраинах и кладбище несколько раз переходили из рук в руки. 19 февраля мятежники перерезали дорогу Теруэль-Валенсия и 46-я дивизия оказалась в окружении. Стороны как бы поменялись местами: теперь Теруэль надо было деблокировать уже республиканцам.
20 февраля 1938 года стояла хорошая погода, и небо над Теруэлем потемнело от немецких и итальянских самолетов. Танковые экипажи республиканцев не успевали возвращаться из укрытий в свои машины, так как бомбежка шла не переставая. ВВС республики в силу своей малочисленности уже не могли всерьез противостоять «Кондору» и итальянцам. В этот же день Рохо приказал Модесто оставить город, но последний отказался, считая приказ преждевременным. Командир 46-й дивизии Валентин Гонсалес потерял связь с основной группировкой Народной армии. Этого честолюбивого импульсивного человека стали одолевать подозрения, что его товарищ по партии Модесто умышленно бросил дивизию на произвол судьбы, чтобы избавиться от конкурента на звание лучшего военачальника-коммуниста.
Части 46-й дивизии организовали круговую оборону, надеясь на помощь основных сил, находившихся в 6–8 километрах от города. Бомбежки и артиллерийский огонь франкистов наносили оборонявшимся чудовищные потери. В 403-м батальоне, оборонявшем городское кладбище, оставалось 56 солдат и два лейтенанта. В госпитале Теруэля не было никаких средств, кроме простыней и кипяченой воды, которая использовалась как антисептик для дезинфекции ран. 18 февраля прекратилась доставка продовольствия и боеприпасов, а на следующий день вышла из строя единственная радиостанция 46-й дивизии. 20 февраля окруженные в Теруэле республиканцы имели не более 5 патронов на винтовку. Снабжение по воздуху было не организовано республиканским командованием, которое намеревалось в самое ближайшее время деблокировать Теруэль. Не имея связи, командование 46-й дивизии приняло решение пробиваться из окружения 22 февраля, если в течение дня 21 февраля Народная армия не предпримет попытки соединиться с защитниками Теруэля. 21 февраля 5-й корпус силами четырех дивизий действительно пытался деблокировать Теруэль, но безуспешно.
В ночь с 21 на 22 февраля смешанный батальон 46-й дивизии, которому были выделены почти все оставшиеся боеприпасы (в других частях осталось по два патрона на винтовку) пробил, действуя штыками и гранатами брешь в кольце окружения. Переправившись через реку Турия части 46-й дивизии, несмотря на огонь 50 батарей мятежников, соединились с основными силами. Часть тяжелого вооружения утонула в реке, в плен попал начальник штаба дивизии Паласио. Всего 46-я дивизия потеряла в боях за Теруэль 4500 человек, в том числе около 1000 в последние шесть дней обороны города. Таким образом, огромный перевес мятежников в силах возымел действие, и 22 февраля 1938 года около 11 вечера Теруэль был вновь захвачен франкистами.
Завершившееся Теруэльское сражение по накалу городских боев можно сравнить только со Сталинградской битвой. Обе стороны продемонстрировали упорство и высокие боевые качества. Но в битве на истощение в январе-феврале 1938 года у республиканцев не было шансов на успех ввиду подавляющего превосходства противника в артиллерии и авиации. В среднем каждый день во время семидесятидневной битвы за Теруэль на позиции Народной армии обрушивалось 12000 снарядов и 6000 бомб. Всего войска республики потеряли 14 тысяч человек убитыми, 20 тысяч ранеными и 17 тысяч пленными. Потери франкистов в общей сложности составили 45 тысяч. Но в руки мятежников попали солидные трофеи: 3 тысячи винтовок, 100 ручных и 123 станковых пулемета, 9 минометов, 7 орудий и 7 танков. Из 42 танков и 30 бронеавтомобилей республиканского Интернационального полка из сражения вышли 15 танков (многие из которых были повреждены) и 8 броневиков. Кстати, советских военных советников давно уже беспокоила легкость, с которой испанские экипажи бросали на поле боя советскую технику, даже в случае легких повреждений. Командование легиона «Кондор» установило марокканцам премию в 500 песет за каждый захваченный целым советский танк, и скоро в легионе появились целые подразделения, укомплектованные Т-26 (всего более 50 машин). БТ-5 немцам не нравились, так как были очень «нежными» и ненадежными в эксплуатации. И, тем не менее, советские и испанские танкисты смогли сохранить для дальнейших боев большинство машин, хотя износ почти всех из них давно превысил все мыслимые лимиты эксплуатации.