К 18 октября главные силы мятежников подошли к первой линии обороны Мадрида, левый фланг которой был открыт. Мятежники воспользовались этим для обхода ее. Большую роль в этом наступлении сыграла авиация интервентов, деморализовавшая отступающие колонны республиканцев.
22 октября мятежники начали воздушную бомбардировку Мадрида. 26 октября они перерезали было дорогу Мадрид — Арангуэс, но были отбиты контрударом республиканцев 29 октября (на Сасонью). К этому времени интервенты успели снабдить мятежников артиллерией, боеприпасами, а главное — многочисленными самолетами и танками. В штабах мятежников иностранные советники осуществляли оперативно-тактическое руководство боевыми действиями.
Мятежники форсировали свое наступление с целью скорейшего захвата Мадрида. Республиканские части, отходившие на Мадрид, понесли потери, моральное состояние их было низким, они лишились значительной части основного снаряжения, которого и без того было мало. 2-я и 3-я оборонительные линии Мадрида еще не были готовы, формирование резервов в тылу затягивалось. В самой столице «пятая колонна» генерала Франко сеяла панику.
Для поднятия духа войска, выигрыша времени, для укрепления оборонительной линии и упорядочения эвакуации республиканское командование решило 29 октября нанести короткий удар по правому флангу и тылу наступавших мятежников в направлении на Сасонью. Но республиканские войска еще не были способны к маневру и наступательному бою, вследствие недочетов управления, разведки, связи, взаимодействия, ограниченного и плохого вооружения.
Несмотря на тактический неуспех республиканцев, эта операция все же задержала наступление мятежников на несколько дней и причинила им значительные потери. В ночь на 1 ноября правительство мобилизовало все остатки вооруженных частей и отдельных отрядов в Мадриде, включая внутреннюю охрану, и бросило их на 2-ю линию обороны.
К 3 ноября удалось собрать небольшую группу из наиболее боеспособных частей для контрудара по правому флангу мятежников. После ночного боя, в котором танки республиканцев расстреливали мятежников в упор, республиканские отряды отошли к линии железной дороги Мадрид — Арангуэс.
5 ноября, когда республиканцы оставили 2-ю оборонную полосу и мятежники заняли Хетефе, стало критической точкой Мадридской операции. В течение 5 и 6 ноября в районе 3-й оборонительной полосы республиканцами проводилась огромная организационная работа, восстанавливался порядок в частях, части переформировывались, стягивались последние резервы.
6 ноября мятежники начали наступление по всему фронту и к вечеру сбили республиканцев с 3-й оборонительной линии, отбросив их к Мадриду. Южная окраина Мадрида (Карабанчель) была совершенно открыта, так как на этом участке республиканская пехота потеряла боеспособность.
Единственно реальной силой в руках республиканцев оставалась танковая рота и около 20 бронемашин, а также авиация, бомбившая скопления войск мятежников у Хетафе и других местах. Танковая рота атаковала во фланг пехоту противника, наступавшую в линейных боевых порядках. Танки прошли весь боевой порядок пехоты от фланга до фланга. Хотя противник и имел мощные средства ПТО, но был застигнут врасплох, и результат танковой атаки тотчас же сказался на общем улучшении положения на фронте. Постепенно нажим мятежников ослаб, они прекратили наступление и остановились.
Вечером 6 ноября состоялось чрезвычайное заседание правительства, на котором был решен немедленный переезд правительства в Валенсию. Правительство не принимало решительных мер в организации обороны. Премьер-министр Ларго Кабальеро всячески тормозил мероприятия по укреплению обороны Мадрида. Положение было спасено только благодаря энергичному вмешательству коммунистов и мобилизации рабочих Мадрида на защиту столицы от мятежников. Созданный коммунистами 5-й полк стал основным ядром, около которого создавались новые части. К этому времени уже наступил перелом в настроении войск. Теперь в распоряжении республиканцев имелись танки и неплохая авиация.
В ночь на 7 ноября из штаба фронта на сторону мятежников перебежали 6 офицеров во главе с начальником оперативного отдела штаба фронта. 7 ноября мятежники снова начали наступление, отбросили правительственные войска к Мадриду и подошли к реке Мансанарес, а также овладели большей частью парка Каса-дель-Кампо. Этот успех мятежников объяснялся исключительно изменой штабных офицеров, которым были известны состояние обороны Мадрида и расположение республиканских войск.