Ночью 15 декабря 1937 года, когда температура опустилась до -10о и стоял густой туман, 11-я дивизия Листера с севера начала без артподготовки окружать Теруэль. При поддержке батальона танков дивизия, взяв 400 пленных, в 10 часов утра перерезала железную дорогу Теруэль-Сарагоса. Уже к концу короткого зимнего дня республиканцы окружили Теруэль, потеряв убитыми и ранеными всего 300 солдат и офицеров. Успех был достигнут благодаря точному соблюдению приказа: никто не отвлекался на открытые фланги и опорные узлы обороны. Окончательно внешний фронт окружения был сформирован 16 декабря в 5–6 километрах севернее Теруэля. Но уже это было непростительной ошибкой. Франкисты были застигнуты врасплох, и можно было спокойно продвинуться на 50–60 километров, сделав любую деблокаду Теруэля невозможной. Но этот благоприятный момент был упущен, и все силы бросили на ликвидацию окруженного гарнизона, которым командовал полковник Доминго Рей де Д'Аркур. 18 декабря при поддержке танков была взята господствующая над городом гора Муэла (т. е. «зуб») де Теруэль высотой 1052 метра. 20 декабря советские танки ворвались на восточную и южную окраины города, увлекая за собой пехоту. Д'Аркур со своим гарнизоном забаррикадировался в наиболее капитальных зданиях города — семинарии, отделении Испанского банка, гражданской администрации. Республиканцы вошли в совершенно разграбленный город. У многих пленных из карманов доставали только что похищенные из магазинов ювелирные изделия. Аргумент был таков: не оставлять же все эти богатства «красным».
Франко был полностью застигнут врасплох неожиданным успехом республиканцев. 21 декабря он покинул Бургос и перебрался ближе к фронту. Наступление на Мадрид было отменено (на это особенно рассчитывал Рохо). 22 декабря было организовано два корпуса под командованием Варелы и Аранды, которые к 25 декабря имели на теруэльском участке фронта 11 дивизий (позднее 15), авиацию «Кондора» и 296 стволов артиллерии. Д'Аркуру было приказано держаться любой ценой. Выполняя приказание, полковник даже отказался вскрыть 22 декабря пакет с условиями капитуляции, который ему доставили республиканские парламентеры. Начались мощные контратаки мятежников, которые выдерживали, неся огромные потери от огня артиллерии и налетов авиации, четыре дивизии республиканцев. Две другие с большим трудом дом за домом овладевали Теруэлем. Республиканскому командованию пришлось перебросить с Центрального фронта привычные ударные войска — закаленный в боях 5-й корпус Модесто и интербригады.
В самом Теруэле республиканские танки несли большие потери на узких улицах, из домов которых на них сыпались гранаты и бутылки с горючей смесью. Мятежники активно использовали для неожиданных вылазок подземные коммуникации города. 27 декабря саперами Народной армии была взорвана семинария, но франкисты держались в ее руинах еще несколько дней. Из дома гражданского губернатора Д'Аркур слал Франко депеши о своем неукротимом желании сражаться. Но 31 декабря по этому зданию было выпущено более 1000 снарядов, и положение франкистов стало безнадежным.
А газеты и радиостанции республики уже вовсю трубили о большой победе. Боевой дух масс вырос, люди гордились своей молодой Народной армией, сумевшей взять неприступную горную крепость. Так же думали и в мире. Германский посол при Франко фон Шторер сообщал в Берлин, что «красные» сумели «значительно повысить боеспособность» и захватили инициативу на фронте. 20 декабря 1937 года министр иностранных дел Италии Чиано записал в своем дневнике, что из Испании приходят плохие новости. Командующий итальянскими войсками в Италии генерал Берти прибыл в конце декабря в Рим и предложил полностью вывести «добровольцев» из Испании, так как звезда генерала Франко уже закатилась. Взвесив все «за» и «против», дуче принял решение увеличить помощь Франко, но одновременно вместе с немцами потребовать от него активизировать боевые действия. Муссолини вновь вернулся к идее создать единое итало-германо-испанское командование. Итальянская авиация получила приказ сбросить на Теруэль «тысячи тонн бомб».
Республиканское командование поспешило заявить о конце операции и начало отводить войска в тыл как раз тогда, когда мятежники сосредоточили под городом небывалую доселе по численности ударную группировку. В город приехала Долорес Ибаррури и, с трудом сдерживая слезы, смотрела, как советские танкисты кормят изголодавшихся мирных жителей своими НЗ. После начала варварских бомбежек Теруэля авиацией мятежников гражданское население города было эвакуировано в глубь территории республики.
29-30 декабря войска Варелы прорвались к самым окраинам Теруэля. Навстречу им из руин семинарии устремились не скрывавшие радости остатки гарнизона Д'Аркура. Когда до встречи двух группировок мятежников оставалась какая-нибудь сотня метров, в бой неожиданно вступили республиканские танки, уничтожив прорвавшихся к городу франкистов.
Перед Новым годом республиканцы едва не устроили сами себе катастрофу. Неожиданно распространились слухи, что мятежники окончательно прорвали фронт и входят в Теруэль. Возникла паника, и республиканская пехота бежала из города. На протяжении четырех часов там не было ни одного солдата Народной армии. Наши танкисты, решив, что город оставлен по приказу сверху, также отошли на его южную окраину. К счастью для республиканцев, франкисты ничего не знали и не воспользовались благоприятным случаем, чтобы без единого выстрела вернуть Теруэль. А уже через час танки вернулись в город и удерживали его до возвращения на позиции бежавшей пехоты. Наконец, брешь надежно закрыли прибывшие под Теруэль 35-я (состоявшая из интербригад) и 47-я ивизии корпуса Модесто.
7 января 1938 года Рей Д'Аркур попросил представителя Красного Креста провести эвакуацию раненых, женщин и детей, на что республиканцы немедленно дали свое разрешение. 8 января полковнику под угрозой окончательного штурма было предложено сдаться при условии сохранения жизни всем пленным. Но полковник боялся уже не столько врагов, сколько Франко, запретившего капитуляцию, поэтому просил не упоминать в акте о капитуляции сдачу своего командного пункта — здания гражданского губернатора. В тот же день, 8 января 1938 года, гарнизон капитулировал, причем в акте подробно объяснялись причины этого шага: потеря 90 % офицеров, наличие 1500 раненых, упадок боевого духа вследствие применения «современных средств борьбы».
Франко (как и Гитлер 5 лет спустя в отношении фельдмаршала Паулюса в Сталинграде) счел поведение Д'Аркура малодушным. Но полковнику не пришлось ответить за это. При эвакуации Каталонии республиканцами год спустя он был убит «бесконтрольными элементами». Другие пленники Теруэля (в т. ч. его гражданский губернатор) были сданы республиканцами при отступлении во Францию местным властям и потом вернулись в Испанию.
С 1 по 10 января республиканцы безуспешно пытались отбить гору Муэла де Теруэль и окончательно перешли к обороне.
Республиканское командование, снова решив, что сражение закончено, вторично стало отводить от фронта войска на переформирование. Но Франко решил воспользоваться моментом и навязать противнику войну на уничтожение.
14 января 1938 года при поддержке 490 орудий и 250 самолетов франкисты стали методично сокрушать позиции республиканцев под Теруэлем. 5-й корпус сдерживал натиск, неся огромные потери, прежде всего, от воздействия авиации противника, господствовавшей в воздухе. Так 22-я, 96-я и 11-я бригады потеряли почти половину личного состава. Соотношение сил на некоторых участках, казалось, просто подавляло любую возможность сопротивления. Например, Марокканскому корпусу армии мятежников (5 дивизий) противостояли две бригады республиканских войск.
Чтобы облегчить положение своей Теруэльской группировки, командование Народной армии организовало 26 января контрудар к северу от столицы Нижнего Арагона, чтобы перерезать шоссе Теруэль-Сарагоса, являвшееся основной артерией снабжения наступавших сил мятежников. 26 января в наступление перешла 27-я дивизия республиканцев, для поддержки которой удалось найти всего лишь 26 стволов артиллерии и 14 танков. Бойцы Народной армии сражались героически, но они ничего не могли противопоставить 160 самолетам врага, выполнявшим до 800 боевых вылетов в день. Перешедшая в наступление 28 января 46-я дивизия «Кампесино» также не смогла прорвать фронт.
