Между тем наступавшие войска республиканцев 7 июля повернули вместо юга на восток (в направлении Мадрида) и форсировали реку Гуадаррама. Но преодолеть высоту Москито и занять местечко Романильос не удалось, так как в бой уже вступили франкистские резервы. На следующий день верховное командование республиканцев (его формально осуществлял Миаха, но на деле все было в руках Рохо) приказало не отвлекаться на восток, а продолжать движение в южном направлении. В это же время началось наступление 2-го корпуса к югу от Мадрида. Оно развивалось успешно, и республиканцы быстро перерезали Толедское шоссе. Однако в этом корпусе было много едва обученных новобранцев и к концу дня, увидев, что не подошли подкрепления, они самовольно вернулись в тыл. Возникла трудно объяснимая паника, и 2-й корпус оказался на своих первоначальных позициях.
А в тылу основной ударной группировки еще держалась Кихорна, атакуемая двумя дивизиями республиканцев. Листер продолжал наступление на юг, но франкисты уже начали переходить в контратаки. Обе стороны несли огромные потери. Господство в воздухе перешло к мятежникам, которые активно применили в Брунетском сражении немецкие истребители Ме-109. Там впервые столкнулись в испанском небе опытные советские и немецкие пилоты на самых современных в своих странах истребителях
Первые две эскадрильи «месссершмиттов» прибыли под Брунете с Северного фронта еще 7 июля. А уже 12 июля «мессеры» записали на свой счет шесть сбитых самолетов, в том числе три И-16 и один СБ. «Мессершмитты» превосходили И-16 (хотя «муха» практически не уступала «мессерам» первых серий) и И-15 в скорости на горизонталях, но советские самолеты были маневреннее. К тому же на советских пилотов новые немецкие истребители вовсе не нагоняли никакого ужаса. 13 и 18 июля были сбиты по одному «мессершмитту». Бои шли на равных, советские летчики не уклонялись от единоборства и немцам пришлось менять тактику. Они стремились охотиться за тихоходными штурмовиками R-Z, и только в один из дней Брунетской битвы их жертвами стали 9 машин этого типа. В противоборстве с И-16 «мессеры» внезапно атаковали с большой высоты (6000–7000 метров) и обычно сразу же выходили из боя, если не имели численного превосходства. Немецкие и советские истребители делали по 4 боевых вылета в день, но численное превосходство германо-итальянской авиации сказывалось все сильнее, и к концу сражения господство в воздухе перешло к мятежникам. Легион «Кондор» бросал в бой смешанные авиагруппы с мощным истребительным сопровождением. Бомбежки шли и ночью, причем почти безнаказанно, так как республиканские самолеты не были оборудованы для ночных боев. На свой страх и риск советский летчик Анатолий Серов (будущий муж известнейшей киноактрисы Валентины Серовой) создал группу ночных истребителей И-15, которая сбила несколько «юнкерсов». Всего Серов провел в Испании 40 воздушных боев и сбил 8 самолетов лично и 7- в группе. Под Брунете взошла звезда лучшего аса военно-воздушных сил СССР Ивана Федорова («Хуана»), который за всю свою жизнь сбил в различных войнах 49 самолетов лично и 47 — в группе. В июле 1937 года Федоров совершил 25 боевых вылетов и однажды вернулся с 96 пробоинами. За время пребывания в Испании Федоров уничтожил 24 самолета, став одним из лучших асов ВВС республики.
Между тем на земле части интербригад после чудовищных потерь, действуя в ближнем бою штыками и гранатами, 9 июля взяли, наконец, Кихорну. 10–13 июля продолжались атаки с использованием уже всех имевшихся резервов, но успеха они не приносили. Между интербригадами возникли конфликты: командиры некоторых частей считали, что их умышленно бросают в безнадежные атаки. Включенные в интербригады испанские новобранцы стали дезертировать, а иногда и переходить на сторону противника, оставляя записки о своем нежелании воевать под командованием иностранцев. Одна группа перебежчиков даже увела с собой поляка, чтобы выдать его франкистам за русского и заслужить вознаграждение. Некоторые бойцы умышленно наносили себе легкие ранения, чтобы быть отправленными в тыл. К 11 июля 1-я бронетанковая бригада Народной армии даже с учетом брошенного в бой резервного батальона состояла только из 38 танков, которые поддерживали уже лишь один 5-й корпус.
13 июля, вымотавшись окончательно, республиканские части начали окапываться. Каждой бригаде были заранее выделены 1–2 роты саперов, которые стали рыть окопы и натягивать колючую проволоку. Но авиация мятежников не давала вести работы днем и к началу контрнаступления франкистов оборонительные рубежи не были закончены. XIII-я интербригада, боровшаяся на восточном берегу Гуадаррамы, попросила отвода в тыл, так как дальнейшие бои грозили ей полным уничтожением. Но командование было непреклонным.