15 декабря 1937 года под завесой снежной пурги без артиллерийской и воздушной подготовки, чтобы не выдать свои намерения, Листер начал наступление. Вместе с Эредиа они решили окружить город. Первым делом надо было захватить хребет к востоку от него, известный как Ла-Муэла-де-Теруэль – «Зуб Теруэля». К семи вечера окружение было завершено. Командир гарнизона полковник Рей д'Аркур начал отводить свои обороняющиеся части в город. 17-го числа он сделал попытку захватить подножие Ла-Муэлы. До 23 декабря Франко так и не мог принять решение, стоит ли откладывать наступление на Гвадалахаре, хотя его немецкие и итальянские советники побуждали продолжить его. Но Франко понимал: если попытка спасти Теруэль окончится неудачей, то в политическом смысле она обойдется очень дорого, особенно по части получения зарубежных кредитов.
К Рождеству после непрерывных боев радио Барселоны объявило о падении Теруэля. На деле же наступающие части лишь проникли в город, а 4000 его защитников (половину их составляли гражданские лица) укрепились в зданиях гражданского губернатора, Банка Испании, семинарии и монастыря Санта Клары. Эти строения сгрудились в южной части города. 20 декабря Чиано отметил: «Из Испании приходят плохие новости. Франко не представляет, как вести войну. Его операции соответствуют уровню командира батальона. Он всегда стремится захватить территорию, а не нанести поражение врагу».
Контрнаступление Франко с целью освободить Теруэль началось 29 декабря. Рей д'Аркур получил телеграмму: «Верьте Испании, как Испания верит вам». Ему было приказано держать оборону любой ценой. После дня артиллерийской и авиационной подготовки генералы Варела и Аранда повели в наступление армейский корпус Кастилии и Галисии. Как всегда, их прикрывал легион «Кондор», хотя его личный состав уже начал уставать от бесконечных перебросок с фронта на фронт. Штаб-квартира легиона располагалась в составе из двенадцати вагонов. Республиканские войска были оттеснены назад, но они оказали яростное сопротивление, и прорвать их линии не удалось. Интернациональные бригады продолжали оставаться не у дел. Республиканские части состояли из бывших милиционеров, которые превратились в стойкую и дисциплинированную армию. В самом городе Рей д'Аркур продолжал сопротивление. Перед Новым годом, когда погода резко ухудшилась, националисты, предприняв отчаянное усилие, к полудню вышли к Ла-Муэле-де-Теруэль. Теперь город и его окрестности оказались в пределах артиллерийского огня, но видимости практически не было, да и республиканцы стойко оборонялись. Военная техника отказывала из-за морозов. В Теруэле, как бы подтверждая его репутацию города самой плохой погоды, была зарегистрирована температура в 18 градусов ниже нуля. Сражающиеся окоченели, и бои приостановились сами собой. Люди, которые при Брунете проклинали безжалостное солнце Кастилии, сейчас становились жертвами обморожения, многим пришлось ампутировать конечности. Скорее всего, националисты еще больше страдали от холодов, поскольку их слабая текстильная промышленность не могла обеспечить войска теплой одеждой. Отсутствие ее особенно сказывалось на марокканцах, которым оставалось только мечтать об африканском солнце. Пурга длилась четыре дня, оставив по себе полутораметровые сугробы и отрезав обе армии от складов снаряжения и продовольствия. Шестьсот машин застряли в снежных заносах между Теруэлем и Валенсией. Тем временем бои шли в самом городе. Прието настаивал, чтобы гражданским, оказавшимся среди националистов, не причиняли вреда. Это исключало минирование. Но республиканцы все равно кидали гранаты в полуразрушенные подвалы зданий, в которые стягивались дрожащие от холода защитники города. К Новому, 1938 году все защитники монастыря и больницы были перебиты. 3 января пала резиденция гражданского губернатора. У немногих оборонявшихся в ней не осталось воды, не хватало медикаментов и еды. От их обороны остались только груды руин. Они держались до 8 января – погода все еще мешала националистам перейти в решительное наступление. Все же снова начались бомбежки и обстрелы. Густой снежный покров вернул этим местам их первобытную нетронутость. Полковник Рей д'Аркур, поддержанный епископом Теруэльским, наконец сдался. Простой солдат, он был тут же обвинен националистами и в военных ошибках, и в измене. Но в этих обстоятельствах он сопротивлялся гораздо дольше, чем мог выдержать человек. После его капитуляции гражданское население Теруэля было эвакуировано. Теперь осажденными стали республиканцы, окруженные националистами.