Los sublevados tenían la esperanza de acabar con los focos de resistencia en dos o tres días, pero desde el principio contaron con la posibilidad de que el levantamiento fracasara en Madrid. En ese caso, haría falta aislar y rodear la capital con ataques desde el norte y desde el sur. Esto, pensaban, podría llevarles varias semanas.
Los planes de ataque desde el norte se llevaron a cabo rápidamente. El 22 de julio de 1936, una columna procedente de Burgos llegó al Puerto de Somosierra; y otra que venía de Valladolid alcanzó el Puerto del León, al norte de la capital. Ambas columnas, sin embargo, fueron contenidas con una dura lucha.
La elite del ejército regular, el Ejército de Africa, se encargaría del ataque por el sur. Compuesto de 40.000 hombres, de los cuales 10.000 eran marroquíes voluntarios, tenía las unidades mejor entrenadas y equipadas del ejército español. Al principio, como los republicanos controlaban el Mediterráneo, no pudieron intervenir en la península. El general Franco, al mando del Ejército de Africa, pudo transportar gradualmente sus tropas al sur de España con la ayuda de los aviones alemanes e italianos.
Durante agosto y septiembre, las tropas del Ejército de Africa, junto con algunas guarniciones del sur de España, falangistas y otros voluntarios que se les unieron, consiguieron abrir camino hacia el norte por la frontera con Portugal. Después, giraron hacia el oeste en dirección a Madrid. A mediados de agosto conectaron con fuerzas nacionales que bajaban desde el norte. Después de seis semanas de guerra, los nacionales habían tomado el centro y sudoeste de España.
A medida que los nacionales se acercaban a Madrid, arreciaba la resistencia republicana, a lo que ayudó su supremacía aérea. En su avance hacia la capital, el ejército nacional se desvió para liberar el Alcázar de Toledo, asediado desde dos meses atrás. Cuando comenzó el ataque sobre Madrid, el 8 de noviembre de 1936, Franco encontró la resistencia decidida de las milicias populares, las Brigadas Internacionales y el recién constituido ejército del pueblo, reforzados por los aviones y tanques soviéticos. Para el 21 de noviembre de 1936, las fuerzas republicanas habían detenido el ataque desde el sur.
Después de fracasar el asalto por el sur, entre finales de noviembre de 1936 y principios de enero de 1937 hubo tres intentos nacionales de tomar Madrid desde el norte, pero también fallaron, a pesar de haber contado con el apoyo de aviones, artillería ligera y carros de combate alemanes e italianos. Los nacionales, entonces, se propusieron aislar la capital, cortando la carretera Madrid-Valencia con un nuevo ataque por el valle del Jarama. La ofensiva comenzó el 6 de febrero de 1937. La batalla del Jarama fue la primera a gran escala de la guerra. Durante dos semanas de lucha encarnizada, los republicanos sufrieron 25.000 bajas y los nacionales 20.000. Los nacionales avanzaron casi 16 kilómetros por un frente de 22 kilómetros de ancho, pero no consiguieron cortar la carretera.
En marzo de 1937, en otro intento más de aislar la capital, cuatro divisiones italianas, enviadas por Mussolini para ayudar a los nacionales, avanzaron sobre Madrid desde Guadalajara. Las fuerzas republicanas, en las que se había integrado la antifascista Brigada Garibaldi, repelieron el ataque con el apoyo de los carros y la aviación soviética. Tras este nuevo fracaso, los nacionales dejaron para más adelante la toma de Madrid.
