Между тем, 10 марта в наступление перешли уже две дивизии итальянцев, наткнувшиеся на сей раз на стойкую оборону XI-й интербригады, которая не собиралась отступать. К тому же в этот день блестяще проявили себя Т-26. На рассвете 10 марта командир танковой роты решил скрытно пройти с одним танковым взводом в тыл итальянцев на 14 километров, чтобы отбуксировать в расположение своих войск два танка, подбитых накануне. Неожиданно наши танкисты заметили сосредотачивавшийся танковый батальон итальянцев и практически полностью его уничтожили (интервенты потеряли 20 танков и несколько грузовиков). Республиканский танковый взвод вернулся без потерь. Не добившись успеха днем 10 марта, итальянцы ударили по XII-й интербригаде ночью, нарвавшись на своих соотечественников — итальянский батальон им. Гарибальди. Сначала интернационалисты несколько попятились назад, но затем, быстро оправившись, не только вернули утраченные позиции, но и отбили своих пленных, уничтожили 5 танков и взяли в плен 40 интервентов.

К 11 марта командующему «добровольческим» корпусом Роатте стало ясно, что легкого марша на Мадрид не будет. Тактика итальянцев, наступавших, как и франкисты на Хараме (на узком участке большими силами в несколько волн) могла действительно принести успех только при отсутствии организованного сопротивления. Роатта настоятельно потребовал от Франко выполнения своего обещания и нанесения удара с Харамского плацдарма. «Генералиссимус» нагло соврал, говоря, что приказ Оргасу отдан, но тот почему-то медлит с его выполнением. На самом деле никакого приказа не было. Оргаса потом для вида отстранили от командования, но лишь для того, чтобы поручить ему самую ответственную на тот момент задачу — массовый набор и обучение новобранцев.

В свою очередь, 11 марта командование республиканцев наконец-то осознало масштаб наступательной операции врага. На Гвадалахарском направлении по образцу Мадрида и Харамы стал формироваться отдельный 4-й армейский корпус под командованием полковника Хурадо в составе 11-й, 12-й и 14-й пехотных дивизий, танковой и двух кавалерийских бригад. Ударной дивизией корпуса стала 11-я под командованием Листера, состоящая из XI-й и XII-й интербригад, 1-й ударной бригады под командованием еще одного талантливого самородка войны коммуниста Валентина Гонсалеса по прозвищу «Кампесино» (т. е. «Крестьянин») и 2-й бригады (которой раньше командовал сам Листер, а теперь ее принял герой Харамы Пандо). Элитная (главным образом, по боевому духу, а не вооружению) дивизия Листера должна была контратаковать на главном направлении — вдоль французского шоссе.

На первом этапе сражения авиация обеих сторон бездействовала из-за сильных дождей. Но к 11 марта республиканцы сосредоточили под Гвадалахарой сильную авиагруппу в составе 45 истребителей, 16 советских штурмовиков R-Z (или Р-зет) и Р-5 (испанцы называли эти машины соответственно «наташа» и «Разанте», то есть «Бреющий») и 11 бомбардировщиков. Штурмовик Р-5, поставлявшийся в Испанию, имел 4–6 пулеметов, развивал скорость до 245 км в час и нес 8 бомб по 50 килограммов каждая. Всего республиканцам было продано 62 Р-5 (в ноябре 1936 и феврале 1937 года, двумя партиями по 31 машине), из них 31 — варианта «штурмовик» (обычный Р-5, как самолет-разведчик имел только один пулемет).

Легкий штурмовик Р-зет был модификацией разработанного еще в конце 1920-х годов Р-5 и выпускался, начиная с 1935 года. Он развивал максимальную скорость у земли до 300 км в час, имел на вооружении два 7,62 мм пулемета и мог брать 400 кг бомбовой нагрузки. Самолет был маневренным и устойчивым в управлении. В Испанию было поставлено 113 «наташ», первая партия которых прибыла в марте 1937 года.

Преимущество республиканских ВВС в битве под Гвадалахарой состояло в том, что они действовали с ближних аэродромов с твердым покрытием, в то время как интервенты таких аэродромов в прифронтовой зоне не имели и их самолеты вынуждены были прилетать с севера из-за горных хребтов.

Одновременно началась массовая пропагандистская работа по разложению итальянского корпуса с помощью радиоустановок и листовок, которые запускались специальными метательными аппаратами. Огромную помощь в проведении фортификационных работ республиканцам оказывало местное население, понимавшее, что идет война с иностранцами. Везде звучал лозунг «Испания — не Абиссиния!» (в 1936 году Италия захватила Эфиопию).

11 марта в районе битвы вдруг пошел снег, и наступило резкое похолодание. И республиканцы, и их противники (особенно итальянцы в тропическом обмундировании) сильно страдали от простуды и даже от обморожения. Однако в этот день итальянцы силами двух дивизий предприняли еще одно мощное наступление, основная тяжесть которого пришлась на XI-ю и XII-ю интербригады (их поддерживал танковый батальон). Весь день шел упорный бой. Советские танки из засад наносили врагу большие потери. В этот же день, несмотря на непогоду, республиканская авиация провела штурмовку наступающих итальянских колонн с высоты 150–200 метров, вызвав панику среди врагов. Со своей стороны, итальянцы впервые в ходе войны применили огнеметные танки и непривыкшие к ним бойцы XI-й интербригады начали отход. В результате итальянцы продвинулись по французскому шоссе на 6 километров (до знака «77 километров до Мадрида») и захватили городки Трихуэке и Каса-дель-Кобо). Приписанные к XI-й интербригаде анархисты первыми оставили позиции. Стойко держались немцы из батальона им. Тельмана, но и они вынуждены были отойти, опасаясь окружения.

Ночью стали, наконец, подходить части Листера и к утру 12 марта республиканцы имели на фронте уже 18 батальонов (днем раньше — 9), хотя интервентов было по-прежнему больше в 3 с лишним раза. На полдень 12 марта при поддержке танкового батальона было намечено локальное контрнаступление с целью вернуть Трихуэке. К часу дня, двигаясь за успешно действующими танками, части Листера подошли к Трихуэхе, но были встречены сильным огнем. Итальянцы опять использовали огнеметные танки, и 2-я бригада дивизии Листера с трудом удерживала свои позиции, которые итальянцы уже начали обходить с фланга. Положение спасла резервная рота советских танков, отбросившая итальянцев. С другой стороны, республиканская авиация несколькими волнами разгромила подходившие к месту боя полк дивизии «Литторио» и части «добровольческой» дивизии «Черные стрелы». Всего за этот день ВВС республики произвели 150 боевых вылетов, израсходовав 500 бомб и 200 тысяч пулеметных патронов.

Используя успех авиации, Листер вновь перешел в наступление и его части опять подошли к Трихуэке. День 12 марта остался за республиканцами, продемонстрировавшими впервые в войне высокую степень взаимодействия пехоты, танков и авиации. Абсолютной новинкой были «конвейерные» беспрерывные бомбежки противника. Сначала в бой вступали группы из трех-четырех истребителей, задерживавших движение колонны. Затем бомбардировщики подбивали первую и последнюю машины, создавая пробки. Подключались штурмовики. Пока одна группа самолетов «висела» в воздухе, другие заправлялись и пополняли боекомплект. Эта тактика по имени впервые применившего ее главного советского советника ВВС республики комбрига Якова Владимировича Смушкевича («генерал Дуглас») стала называться «конвейером Смушкевича» и вошла в учебники по военному искусству. Смушкевич родился в 1902 году в Ковенской губернии (кстати, литовцем был и заместитель Смушкевича, командир истребительной группы П. И. Пумпур — «полковник Хулио») и уже в 1918 году вступил в коммунистическую партию. Будучи первоначально офицером-политработником, Смушкевич за 38 дней окончил знаменитую тогда в СССР Качинскую летную школу и стал первоклассным летчиком. После Испании дважды Герой Советского Союза генерал-лейтенант Смушкевич возглавлял ВВС РККА. Был незаконно репрессирован в 1941 году. В Испании немцы установили премию в 1 млн марок тому летчику, кто собьет «генерала Дугласа», а в 1941 году Геринг сказал, что отсутствие на фронте Смушкевича равносильно 5 дополнительным немецким авиадивизиям.