Всего в ходе своего наступления республиканцы смогли освободить территорию шириной 15 и глубиной 12 километров. Но эти скромные приобретения были достигнуты ценой огромных потерь. Основной ошибкой было стремление захватить каждый населенный пункт. Для этого использовались танки, большее число которых было уничтожено. Пехота слишком поздно после артподготовки поднималась в атаку, и мятежники успевали выйти из укрытий и снова занять оборону. Мобилизованные новобранцы были плохо обучены и пребывали в состоянии животного ужаса от ударов с воздуха.
14 и 15 июля республиканцы еще предпринимали локальные атаки, но они не только не приносили успеха, а отбивались уже серьезными контратаками противника.
18 июля (в годовщину начала мятежа) франкисты с трех сторон перешли в контрнаступление. Предварительно они попытались вывести из строя всех советских военных советников. Вечером 17 июля все они ужинали в мадридском отеле «Гэйлорд», где жили почти все советники, воевавшие на Центральном фронте (атмосфера вечеров в «Гэйлорде» ярко описана у Хемингуэя в романе «По ком звонит колокол»). На утро все они, включая Штерна, почувствовали симптомы острого отравления, и анализы показали наличие в организме мышьяка. Были арестованы несколько человек из обслуживающего персонала, которых затем отпустили из-за недостатка улик.
В первый же день своего наступления мятежники пытались ударами справа и слева срезать республиканский выступ, одновременно давя на него с фронта. 45 тыс. атаковавших поддерживали легион «Кондор» и 100 орудий. Но первые дни ничего не дали Вареле. Франкисты были вынуждены занимать каждую пядь отбитой территории ценой большой крови. 23 июля, когда в одном из батальонов XIII-й интербригады на Гуадаррамском плацдарме взорвался боезапас, измученных непрерывными боями людей охватила паника, совпавшая с бегством части нестойких республиканских войск из-под Брунете. В этот критический момент мог развалиться весь республиканский фронт. Но части Листера, стоя насмерть, сумели удержать Брунете. Бегущих останавливали танками и пулеметами. Командир XIII-й интербригады убил одного солдата, отказавшегося вернуться в бой, и едва не был разорван на куски его сослуживцами.
25 июля Листер все же был вынужден оставить Брунете, сумев закрепиться на кладбище этого селения.
К 28 июля линия фронта стабилизировалась. Республиканцы сохранили захваченные населенные пункты Кихорна, Вильянуэва-де-ла-Каньяда и Вильянуэва-дель-Пардильо, потеряв 20 тысяч человек убитыми и 100 самолетов. Мятежники недосчитались 17 тыс. человек и 23 самолетов. Но уже в середине июля 1937 года из Германии прибыло еще 22 истребителя Ме-109. Особенно ужасными были потери республиканских танков — 61 захваченных и уничтоженных Т-26. Конечно, сказались неопытность и нестойкость испанских экипажей. Но главная причина крылась в небывалой концентрации противотанковой артиллерии на стороне франкистов: на один километр фронта приходилось 26,6 стволов, в то время как в среднем этот показатель обычно не превышал 13,8 единиц. После Брунете многие военные теоретики на Западе решили, что эра танков закончилась.
Большие «Канны» вокруг Мадрида опять не удались, но наступление франкистов на Севере было прервано на 5 недель. Варела предлагал Франко воспользоваться измотанностью республиканцев и на их плечах ворваться в Мадрид, но «генералиссимус» не стал рисковать своими отборными частями и вновь перебросил их на Север. Народная армия в этом первом своем крупном наступлении оставила в целом хорошее впечатление, хотя налицо была большая разница в боеспособности — с одной стороны, между закаленными интербригадами и коммунистическими частями Листера, а с другой — свежими бригадами испанской армии. Большие потери объяснялись неумелыми действиями командиров при маневрировании, а также подавляющим господством в воздухе авиации мятежников во время второй фазы сражения.
После Брунете во многих воинских частях Народной армии стал ощущаться упадок духа и неверие в благоприятный исход войны. Некоторые бойцы интербригад, особенно выходцы из богатых и среднеобеспеченных семей США, Великобритании и Скандинавских стран, стали проситься на родину. Они ехали на романтическую войну («войну поэтов», как ее называли), а оказались в грязных окопах под непрерывными бомбежками и артобстрелом. Некоторые жаловались, что им не хватает хорошего питания и «сладостей». Среди интербригадовцев распространилось крайне низкое мнение о боевых качествах испанцев. С другой стороны, продолжался приток добровольцев из Восточной Европы, особенно балканских стран, которых не пугали бытовая неустроенность и тяжелые бои.
Переформировав свои силы, Франко вернулся к прерванной компании на Севере.