El escenario era una llanura reseca, sin árboles, aplastada por el sol del verano de Castilla, donde faltaba agua y abundaba el polvo.
En su primera fase, el avance se produjo como una operación inversa a la batalla de la carretera de La Coruña. Los republicanos pretendían marchar de norte a sur por la carretera que lleva de El Escorial a Villanueva de la Cañada y hasta Brunete, nudo de cuatro ramales, uno hacia cada punto cardinal. En la tarde del cinco de julio de 1937, ocuparon sus bases de partida y desplegaron la artillería sin que los rebeldes se percataran. Con las primeras horas del día seis se inició el ataque que sorprendió a las posiciones de la vanguardia enemiga. Fue un día de triunfo republicano. Al oeste del ataque, la 46 División rompió el frente y llegó hasta Quijorna, el primer pueblo. La 11 División culebreó, sin disparar un tiro, entre las posiciones y se plantó por sorpresa en Brunete, cinco kilómetros más allá del frente. La 3ª División atacó Villanueva de la Cañada, cuyos defensores se replegaron, ante el peligro de verse cercados.
El avance había tomado la forma de una flecha cuya punta era la 11 División, detenida ante las primeras casas de Brunete, mientras que por la brecha del frente pasaban en tropel las unidades republicanas con rapidez y decisión, pero con cierto desorden.
Al segundo día de combate se ordenó que continuara la maniobra y empezara el ataque secundario. Dos pueblos, Quijorna y Villanueva del Pardillo, encuadraban el ataque republicano, uno por la izquierda y el otro por la derecha. Y en ambos resistía una pequeña guarnición sin rendirse.
El ataque secundario partió de Vallecas y llegó sin problemas hasta la carretera de Toledo. Las vanguardias habían hecho más de medio camino hacia el objetivo final. Atardecía cuando los primeros hombres se desmoralizaron y retrocedieron. El pánico se extendió: todo el II Cuerpo abandonó el avance y se retiró a sus antiguas posiciones. Ya no pudieron salir de allí. Al día siguiente se había perdido el efecto sorpresa y las ametralladoras enemigas no dejaban avanzar por aquellas tremendas llanuras sin abrigo. El fracaso del II Cuerpo hacía imposible la maniobra general.
Los cuerpos V y XVIII mantenían su presión ante Quijorna, Villanueva del Pardillo y Villafranca del Castillo, donde se peleaba con furia. Aquello fue un error, pues debieron de orillar los pueblos y avanzar decididamente hacia el sur. En cambio, se empeñaron en conquistar aquellas resistencias agotando reservas y tiempo.
Los rebeldes retiraron tropas y aviación del norte para llevarlas a la llanura de Brunete, donde los republicanos seguían obsesionados por los combates locales. Disponían de numerosos carros, pero mal distribuidos entre sus unidades, de modo que su fuerza era poco eficaz. Algunos blindados de Líster llegaron cerca de Bobadilla, no muy lejos del objetivo final, pero la mayoría de fuerzas siguió tercamente enfrentada contra los pueblos que no querían rendirse.
A pesar de todo, los pueblos de primera línea habían sido tomados por los republicanos y, desde el día nueve, sólo se luchaba ya alrededor de Brunete. El marco de la batalla se reducía a unos 35 kilómetros cuadrados.
Al oeste, en Navalmoral, se acumulaban los refuerzos rebeldes mientras sus aviones reconquistaban el cielo. Varela tomó el mando con tropas llegadas del norte y Galicia.
Se había decidido detener la campaña contra Santander y las Brigadas Navarras y la Legión Cóndor estaban ya en Brunete, adonde Franco trasladó su Cuartel General. El objetivo republicano de reactivar el frente de Madrid estaba conseguido, pero la batalla comenzó a cambiar de signo. La confusión se extendía entre los republicanos con la llegada de sus propios refuerzos, que eran tropas con escasa instrucción. Los ataques de la artillería y la aviación convertían ya la estepa en una tempestad de explosivos, bajo el sol ardiente y el denso polvo.
Desde el 18 de julio de 1937 el contraataque rebelde fue muy duro. Por presión de Von Thoma, consejero alemán, los tanques de Varela actuaron con un resultado espectacular, apoyados por más de 200 cañones.
Dos días antes, los moros habían recuperado Brunete, perdiéndolo el mismo día. El 18 los republicanos defendieron con dureza lo que había sido un pueblo, y ahora sólo ruinas mordidas por la trilita, muros con la viruela de las balas, tejados reventados por las bombas. El día 26 los rebeldes eran dueños de Brunete, pero habían fracasado ante Villanueva de la Cañada y Villanueva del Pardillo. Poco a poco la batalla se extinguió, aunque los ataques y contraataques se prolongaron hasta el día 26.
Los republicanos habían retrasado por un mes la conquista del norte, tomado y conservado tres pueblos, pero a costa de perder 25.000 hombres y 100 aviones. Sus enemigos habían pagado menos: unos 10.000 hombres y sólo la cuarta parte de los aviones.