В тот день, 9 ноября, когда бои достигли наивысшего накала, у Миахи и Рохо практически не оставалось резервов. В наличии было 45 бойцов и несколько пулеметов. Оба офицера просили Кабальеро срочно прислать на помощь городу четыре бригады, формировавшиеся к югу от Мадрида, но премьер ответил из далекой Валенсии строгим приказом срочно выслать ему оставленный впопыхах при отъезде из Мадрида серебряный столовый сервиз военного министерства.

9 ноября очередной неприятный сюрприз ожидал германских и итальянских летчиков. В этот день в бой над Мадридом вступили новые советские истребители И-16. «Ишачок» (так его любовно называли советские пилоты) был первым в мире истребителем-монопланом с убирающимися шасси. Его скорость достигала 455 км в час, а высота боевых действий была 5000 метров. Превосходя все немецкие и итальянские самолеты в скорости, «моска» (т. е. «муха»), как И-16 окрестили испанцы, имел не очень мощное вооружение: два (хотя и прекрасных по своим боевым качествам) 7,62 мм пулемета ШКАС. К моменту появления «мух» итальянцы и немцы немного приноровились к И-15. Этот советский истребитель был легче «фиата» и итальянцы часто бросали свои самолеты в крутое пике, уходя от советских летчиков на вертикалях за счет появлявшегося таким образом преимущества в скорости. С И-16 такие вещи уже не проходили, так как «муха» за счет своего веса (1600 кг) и скорости имела превосходство в боях на вертикалях.

9 ноября летчики истребительной группы И-16 (31 машина) под руководством бывшего командира 107-й эскадрильи из Брянска капитана Сергея Тархова («капитан Антонио») отметили свой дебют в мадридском небе четырьмя сбитыми «хейнкелями». Франкисты прозвали И-16 «рата» («крыса» по-испански). Это было связано не только с понятной антипатией к опасному советскому истребителю, но и с тактикой, которую начали применять в совместных действиях И-15 и И-16. В то время как «курносые» связывали на высоте боем истребители противника, И-16 неожиданно снизу (по образному выражению франкистов, как крысы из канализации) атаковали бомбардировщики.

10 ноября республиканцы контратаковали в Каса-де-Кампо, а 1-я бригада Листера нанесла удар в южном предместье Мадрида Вильяверде, отбив у противника несколько улиц. В это же время официальное франкистское коммюнике сообщало о «продолжении продвижения наших войск на фронте к югу от Мадрида» (т. е. именно там, где контратаковал Листер).

10 ноября в столицу, наконец, подошли долгожданные подкрепления: бригады с юга и колонна анархистов (3000 бойцов) с Арагонского фронта во главе с Дуррути. Анархисты были вооружены до зубов, в том числе новенькими французскими и чешскими автоматами, полученными либо еще до закрытия Францией границы 8 августа, либо контрабандным путем. В то время, как в Мадриде катастрофически не хватало оружия, в Каталонии и Арагоне были его значительные запасы, которые анархисты приберегали для внутриполитических разборок. Да и сама колонна Дуррути выдвинулась к Мадриду не по приказу руководства республики, на который она плевать хотела, а по просьбе советских военных советников. Уговаривать Дуррути ездил Мерецков, который был просто потрясен, узнав, что один из батальонов колонны Дуррути носит имя Махно, против которого Мерецков воевал еще в гражданскую. Немного порисовавшись перед русским, лидер анархистов согласился «спасти Мадрид». В завязавшемся разговоре на Дуррути произвел особенно сильное впечатление тот факт, что «военный министр» далекой России Ворошилов раньше был слесарем. По мнению Дуррути, настоящий рабочий не мог не быть анархистом. К уговорам Мерецкова присоединилась и министр здравоохранения от НКТ в правительстве Кабальеро Федерика Монтсени.

Командование республиканцев по предложению советских военных советников запланировало на 12 ноября крупную наступательную операцию. К тому времени, втянувшись в Каса-де-Кампо, мятежники совершенно оголили свои фланги и их позиции стали похожи на мешок с узкой горловиной и шириной по фронту в 10–12 километров. Республиканцы решили использовать эту выгодную для себя конфигурацию и замкнуть кольцо вокруг ударных частей Молы одновременными сходящимися ударами с севера и юга. Для этих целей привлекались пять бригад Народной армии, две интербригады и колонна Дуррути. Однако не прекращавшиеся атаки мятежников в Каса-де-Кампо не позволили высвободить силы для создания северной ударной группировки, которую пришлось вводить в бой по частям, чтобы остановить продвижение франкистов в самом парке. Поэтому решили ограничиться ударом с юго-востока в тыл войскам Молы силами 17 батальонов при поддержке 11 орудий и 16 танков. Главной целью наступления был географический центр Испании — высота Серро-де-лос-Анхелес («Гора ангелов») с расположенным на ней монастырем. В случае успеха планировалось захватить аэродром Хетафе и отрезать осаждавшую Мадрид группировку мятежников от дороги на Толедо.

Но атака ударной группы началась вместо 12 ноября только на следующий день, так как XII-я интербригада после длительного марша нуждалась в отдыхе. Собственно, самой бригады не было даже на бумаге и все штабы и службы снабжения приходилось создавать на ходу. Чего стоит хотя бы тот факт, что у бригады не было своего автотранспорта и приходилось нанимать шоферов и грузовики. Не спав три ночи, интербригадовцы тем не менее быстро подошли к основанию Горы ангелов в сопровождении трех танков, но не смогли взять монастырь, так как не имели тяжелой артиллерии (монастырь был окружен мощнейшими стенами). Под шквальным огнем мятежников части XII-ой интербригады залегли у подножия высоты. Однако танки вышли из строя (два из них было подбито) и, лишившись огневой поддержки, под покровом ночи республиканцы отошли на исходные позиции. Таким образом, наступление закончилось практически ничем.

Не получил развития и вспомогательный удар в Каса-де-Кампо. Анархисты вообще отказались перейти в наступление, и пришлось идти в бой только XI-ой интербригаде, которая понесла большие потери, так как мятежники сосредоточили на ней огонь всей своей артиллерии, пользуясь пассивностью Дуррути. Регулярные части Народной армии шли в атаку чуть позади интернационалистов — уступом. Советским танкам, поддерживавшим наступление, пришлось несколько раз возвращаться к своей пехоте, чтобы увлечь ее за собой. В результате республиканцам все же удалось оттеснить мятежников на 2–3 километра.

13 ноября над Мадридом 12 «юнкерсов» и 26 сопровождавших их «хейнкелей» столкнулись с вылетевшими на перехват восемнадцатью И-16 Тархова. Немцы потеряли шесть самолетов, но был сбит и «капитан Антонио». Спускавшегося на парашюте советского летчика расстреляли в воздухе то ли немцы, то ли по ошибке республиканские бойцы с земли. Пронзенного шестью пулями пилота вместо больницы зачем-то доставили в штаб Миахи, который, прервав обед, как раз наблюдал за воздушным боем. Тархов потерял много крови и умер в госпитале.

С утра 14 ноября сами франкисты перешли в наступление из района Хетафе, нанося удар по левому флангу республиканской ударной группировки. Но это наступление было отбито, причем 5-я бригада Народной армии и колонна Бурильо сами контратаковали противника.

Первое по настоящему крупное наступление республиканцев под Мадридом 13 ноября показало, что молодые правительственные войска пока не способны на скоординированные маневренные операции. Сидя в окопах или на баррикадах, вчерашние бойцы милиции чувствовали себя уже уверенно. Но как только они выходили на оперативный простор, то сразу нарушалось взаимодействие с танками, командиры плохо ориентировались на местности и не знали, что делают их соседи слева и справа. Например, прибывшая на фронт впервые XII-я интербригада, вообще не имела ни одной карты местности предстоявшего наступления и ночью после боя многие бойцы с трудом отыскали свои подразделения. В республиканской армии катастрофически не хватало артиллерии и немногочисленные танки, конечно, не могли заменить ее. Не умели республиканцы и организованно отходить с поля боя, поэтому любое наступление было чревато паникой в случае вражеского контрудара. Но, тем не менее, с каждой атакой опыт и мастерство республиканской армии росли. И это был единственный, хотя и очень болезненный путь к будущим успехам.