Как только военное командование республиканцев узнало место и сроки зимнего наступления мятежников, оно начало разрабатывать собственные планы. Сначала предполагалось упредить противника задуманным еще весной ударом в Эстремадуре, чтобы рассечь территорию мятежников на две части. Войск у франкистов там было немного, а Народная армия после Брунете была уже способна на масштабное наступление. К тому же равнинная местность Эстремадуры облегчала применение советских танков, в т. ч. быстроходных танков БТ-5. Причем, в отличие от неудачного наступления под Фуэнтес-де-Эбро в октябре 1937 года, в Эстремадуре не предполагалось наличие сильной противотанковой обороны на стороне противника. Офицеры республиканской армии под видом пастухов прошли с отарами овец до самой португальской границы, изучая местность (именно неумение ориентироваться по картам, равно как и отсутствие последних, приводило к неразберихе после успешного начала наступления).

Однако и на сей раз наступлению в Эстремадуре (оно получило кодовое название «план П») не было суждено осуществиться. После Брунете и Сарагосы Прието просто не верил в способность Народной армии к крупным наступательным операциям. Ему нужна была небольшая, но эффектная в пропагандистском смысле победа, которая позволила бы с позиции силы начать мирные переговоры с Франко. Поэтому было решено ударом с трех сторон захватить глубоко вдающийся в территорию республики город-столицу провинции Нижний Арагон Теруэль (за всю войну республиканцам пока не удавалось освободить ни один мало-мальски крупный город) с населением в 20 тысяч человек и гарнизонм 10–12 тысяч солдат и офицеров. Город представлял собой естественную крепость, находясь в горах на высоте 910 метров над уровнем моря. Если учесть узкие кривые улочки города и наличие в нем многих каменных капитальных зданий, то нельзя было придумать более неподходящего для применения танков (особенно быстроходных) места. Теруэль был самым холодным городом Испании, и зимой там всегда держалась минусовая температура. У бойцов же республиканской армии вообще не было зимнего обмундирования, кроме одеяла с прорезью по середине — «манта» (похожего на пончо), заменявшего и шинель, и плащ-палатку. Наконец, после неоднократных безуспешных попыток штурма города, франкисты очень сильно укрепили Теруэль, используя для этого выгодный рельеф местности и массивные каменные дома в самом городе.

И, тем не менее, на заседании Высшего военного совета республики 8 декабря 1937 года было решено ударить именно здесь. Первоначально Рохо в соответствии с «планом П» намеревался в дополнение к генеральному наступлению в Эстремадуре осуществить захват полуокруженных Народной армией городов Теруэль и Уэска ограниченными силами для отвлечения войск мятежников с эстремадурского участка фронта. Легкость, с которой был освобожден Теруэль, показала, что Рохо был прав. Но все же победила точка зрения Прието, находившегося в зените своего влияния.

Для Теруэльской операции создавалась специальная Маневренная армия в составе трех корпусов, которыми командовали исключительно кадровые офицеры. 18-й, 20-й и 22-й корпуса в составе шести дивизий должны были ударами с юга, юго-востока и севера отрезать Теруэль от территории мятежников и создать внешний фронт окружения, после чего добить окруженный гарнизон города, насчитывавший на декабрь 1937 года 11 батальонов 52-й пехотной дивизии мятежников (всего около 10 тысяч человек).

Группировка республиканцев под Теруэлем насчитывала 100 тысяч человек, но для нанесения первого удара привлекались 40 тысяч бойцов вместе с Интернациональным танковым полком (42 танка и 30 бронемашин), а также двумя ротами Т-26. Всего у наступавших под Теруэлем было 125 орудий, 92 танка и 80 бронеавтомобилей. Танки поротно должны были сопровождать наступавшие пехотные части. Уже само выдвижение к Теруэлю по узким обледенелым горным дорогам стоило экипажам танков огромных усилий. Приходили в негодность гусеницы, а на руках танкистов образовались кровавые волдыри от постоянного маневрирования рычагами поворота.

Но тем не менее к 15 декабря 1937 года в обстановке полной секретности республиканцы сосредоточили под Теруэлем свою ударную группировку. На этот раз было решено не привлекать к операции интербригады — мировое сообщество должно было видеть чисто испанскую победу. Опять, как и под Брунете, командирам ударных частей было приказано не отвлекаться на укрепленные очаги сопротивления и двигаться вперед как можно быстрее.

Ночью 15 декабря 1937 года, когда температура опустилась до -10о и стоял густой туман, 11-я дивизия Листера с севера начала без артподготовки окружать Теруэль. При поддержке батальона танков дивизия, взяв 400 пленных, в 10 часов утра перерезала железную дорогу Теруэль-Сарагоса. Уже к концу короткого зимнего дня республиканцы окружили Теруэль, потеряв убитыми и ранеными всего 300 солдат и офицеров. Успех был достигнут благодаря точному соблюдению приказа: никто не отвлекался на открытые фланги и опорные узлы обороны. Окончательно внешний фронт окружения был сформирован 16 декабря в 5–6 километрах севернее Теруэля. Но уже это было непростительной ошибкой. Франкисты были застигнуты врасплох, и можно было спокойно продвинуться на 50–60 километров, сделав любую деблокаду Теруэля невозможной. Но этот благоприятный момент был упущен, и все силы бросили на ликвидацию окруженного гарнизона, которым командовал полковник Доминго Рей де Д'Аркур. 18 декабря при поддержке танков была взята господствующая над городом гора Муэла (т. е. «зуб») де Теруэль высотой 1052 метра. 20 декабря советские танки ворвались на восточную и южную окраины города, увлекая за собой пехоту. Д'Аркур со своим гарнизоном забаррикадировался в наиболее капитальных зданиях города — семинарии, отделении Испанского банка, гражданской администрации. Республиканцы вошли в совершенно разграбленный город. У многих пленных из карманов доставали только что похищенные из магазинов ювелирные изделия. Аргумент был таков: не оставлять же все эти богатства «красным».

Франко был полностью застигнут врасплох неожиданным успехом республиканцев. 21 декабря он покинул Бургос и перебрался ближе к фронту. Наступление на Мадрид было отменено (на это особенно рассчитывал Рохо). 22 декабря было организовано два корпуса под командованием Варелы и Аранды, которые к 25 декабря имели на теруэльском участке фронта 11 дивизий (позднее 15), авиацию «Кондора» и 296 стволов артиллерии. Д'Аркуру было приказано держаться любой ценой. Выполняя приказание, полковник даже отказался вскрыть 22 декабря пакет с условиями капитуляции, который ему доставили республиканские парламентеры. Начались мощные контратаки мятежников, которые выдерживали, неся огромные потери от огня артиллерии и налетов авиации, четыре дивизии республиканцев. Две другие с большим трудом дом за домом овладевали Теруэлем. Республиканскому командованию пришлось перебросить с Центрального фронта привычные ударные войска — закаленный в боях 5-й корпус Модесто и интербригады.

В самом Теруэле республиканские танки несли большие потери на узких улицах, из домов которых на них сыпались гранаты и бутылки с горючей смесью. Мятежники активно использовали для неожиданных вылазок подземные коммуникации города. 27 декабря саперами Народной армии была взорвана семинария, но франкисты держались в ее руинах еще несколько дней. Из дома гражданского губернатора Д'Аркур слал Франко депеши о своем неукротимом желании сражаться. Но 31 декабря по этому зданию было выпущено более 1000 снарядов, и положение франкистов стало безнадежным.