9月4日，希拉尔政府因无力抵抗法西斯的进攻而辞职，社会党人拉戈尔·卡巴列罗组成新政府。人民阵线各党派，包括共产党代表都参加了政府。为了动员群众保卫共和国，人民阵线政府采取了一系列社会改革措施：实行土地改革，没收参加叛乱的地主近500万公顷土地，无偿地分给无地农民，并废除农民的债务；对企业主离开的工厂企业，由政府代表领导工人监督和管理生产，实行劳保制度，提高工资；改革国家机构，保安、警察和其他机关都补充了人民代表。最重要的是，人民阵线政府建立了正规军。这些措施的实施，增强了人民阵线的基础，激发了西班牙人民群众捍卫民族独立和抗击法西斯的斗争热情。由于马德里局势危急，西班牙政府迁至巴伦西亚。但广大爱国军民万众一心，决心保卫首都。
1月7日清晨，佛朗哥叛军在德国坦克的配合下，对马德里发起总攻，马德里保卫战开始了。共和国刚刚组建的30万人民军投入战斗。马德里凡能拿起武器的群众几乎都上前线，各种党派的人在一条战壕里抗击法西斯。西班牙共产党在这场保卫战中起到了中流砥柱的作用。共产党人参加了“马德里保卫委员会”，实际上掌握了首都军事活动和经济生活的几乎全部领导权。共产党提出了“不让敌人前进”的口号，马德里的25 000名共产党员中有21 000人在战壕里战斗，它所组建的人民军第五团在战斗中发挥了突击队的作用。11月8日，刚刚组成的国际纵队第十一国际旅在战、斗最激烈的时候到达前线，第十二国际旅也于11月17日投入战斗。战斗进行得残酷而激烈，市郊的大学镇被摧毁，曼萨纳雷斯河的河水被鲜血染红，但法西斯分子未能前进一步。11月l1日，马德里的保卫者由守势转入反攻：11月25日，法西斯的进攻被击退。马德里城巍然站立在反法西斯斗争的前哨。