Оборонительные бои носили исключительно упорный характер. В республиканской печати называлось имя командира танкового взвода Эрнесто Феррера, который 10 марта, командуя двумя или тремя Т-26, подбил 25 итальянских танкеток (последняя цифра вызывает большие сомнения, поскольку составляет почти четверть от всей наличной бронетанковой техники Корпуса добровольческих войск). А 11 марта 1937 г. итальянцы впервые массово применили против частей 11-й интербригады у Трихуэке огнеметные танкетки, добившись определенного успеха.
Однако погода не благоприятствовала наступавшим. Шли непрерывные дожди, техника вязла в грязи и итальянские части час за часом теряли темп, не имея возможности толком оборудовать позиции для артиллерии или отрыть окопы из-за той же распутицы. К тому же, оказались парализованы основные аэродромы националистов, а республиканцы оперативно стянули на этот участок фронта всю наличную авиацию, добившись временного господства в воздухе. Из-за потерь от авианалетов темп итальянского наступления еще больше снизился.
12 марта 1937 г. республиканцы, сосредоточив на этом участке фронта три пехотные дивизии и две интербригады (более 10 000 чел.), при поддержке 60 (по другим данным, более 70) танков и бронеавтомобилей (в том числе не менее 45 Т-26) и 21 орудия перешли в контрнаступление. При этом во фланг итальянской пехотной дивизии «Литторио» одновременно ударили 20 Т-26. Появление республиканских танков в таком количестве закономерно вызвало у противника панику.
К 19 марта 1937 г. отступление итальянцев стало откровенно беспорядочным, а 21 марта фронт, наконец, стабилизировался на линии Аламинос – Подилья – Миральрио. Это произошло благодаря распутице и потому, что республиканцы полностью исчерпали свои наступательные возможности: в резерве у командования IV-ro республиканского корпуса в этот момент оставалось всего два пехотных батальона. Примечательно, что одну из решающих ролей в разгроме итальянского Корпуса добровольческих войск под Гвадалахарой сыграл 2-й батальон «Гарибальди» (3345 чел.) 12-й интербригады, состоявший из итальянских антифашистов.
Франкистский историк P.O. Ларрасабаль позднее писал: «в национальной зоне разгром итальянцев был встречен с безнаказанным ликованием, которое проявлялось самым различным образом, вплоть до неприличных песенок и анекдотов». Действительно, поражений такого масштаба у националистов и их союзников не было ни до, ни после. Итальянцы потеряли под Гвадалахарой до 5000 чел. убитыми, около 600 пленными, 45 танкеток (около десяти CV3 достались республиканцам в исправном состоянии), 43 орудия, 170 автомашин. Кроме того, в качестве трофеев республиканцам достались 133 пулемета, 294 винтовки, 6 орудий, 16401 снаряд, 12000 ручных гранат и несколько десятков тонн патронов. Республиканская армия потеряла убитыми до 500 чел, семь танков и пять орудий.
Разгромленный итальянский корпус в конце марта 1937 г., после пополнения и реорганизации, перебросили на северный фронт, где в последующие три месяца итальянцы частично поквитались с басками за свое недавнее поражение, сыграв важную роль во взятии Хихона, Сантандера и Бильбао. Что же касается Испанской Республики, то победа под Гвадалахарой сильно укрепила позиции ее правительства на международной арене. Однако в масштабах войны это был всего лишь локальный успех на одном, и притом узком, участке фронта. Главные сражения были еще впереди.
Летом 1937 г. республиканская армия отчасти преодолела ряд трудностей предшествующего периода. Так, удалось сформировать множество новых подразделений, была проведена (по образцу националистов) всеобщая мобилизация, а все разнородные части свели в корпуса, дивизии и бригады. Однако боеспособность армии все равно была далека от идеала.
Продолжались и поставки вооружения и боевой техники из СССР. К середине 1937 г. у республиканцев имелось более 160 танков и до 150 бронеавтомобилей. Кроме того, в Валенсии и Барселоне республиканцы сумели наладить мелкосерийное производство собственных броневиков. На этой технике, кроме 1-й бронетанковой бригады и нескольких отдельных танковых рот, сформировали бронеавтомобильную бригаду и несколько броневых отрядов (по численности равных роте). В Испанию из СССР также начала поступать бронетанковая техника нового типа – скоростные колесно-гусеничные танки.