В конце октября в Испанию поступили первые партии советских самолетов, в том числе скоростные бомбардировщики СБ, из числа которых были сформированы три эскадрильи. Первую эскадрилью возглавил Эрнст Шахт, вторую — Виктор Хользунов, а третью — Григорий Несмеянов. Тхора включили в состав второй эскадрильи Хользунова. «Катюши» (так называли СБ испанцы) действовали в этот период времени без всякого сопровождения и почти безнаказанно, так как у мятежников тогда не было истребителей, способных догнать СБ в горизонтальном полете. На привычной машине Тхор провоевал месяц, однако затем по просьбе военного советника Якова Смушкевича перешел в группу майора К.М. Гусева, оснащенную легкими штурмовиками Р-5ССС (ССС — скоростной, скороподъемный, скорострельный). Эти самолеты, получившие у испанцев прозвище «Расанте» (бритва), прибыли на пароходе «Альдекоа» в Картахену в конце ноября, и для них не хватало пилотов. Всего в составе группы Гусева имелся 31 самолет Р-5ССС.
Для Тхора Р-5ССС с самого начала оказался невезучим. Уже при перелете на фронтовой аэродром он едва не погиб, так как диверсанты подсыпали песок в тормозные устройства колес, и во время посадки самолет скапотировал. Первый боевой вылет новых штурмовиков состоялся 2 декабря 1936 года. 12 Р-5ССС во главе с Гусевым «навестили» аэродром мятежников Талавера, где уничтожили на земле, по советским данным, до 15 итальянских самолетов «капрони». Зенитным огнем был подбит один штурмовик, экипаж которого совершил вынужденную посадку и попал в плен. Значительные повреждения получил и замыкающий самолет Тхора, атакованный двумя вражескими истребителями. Лишь благодаря помощи товарищей последнего звена Тхор избежал гибели и вернулся на базу. Как вскоре выяснилось, Р-5ССС мало соответствовал своему громкому названию и плохо подходил на роль штурмовика. У него полностью отсуствовала защита топливных баков и радиаторов, максимальная скорость не превышала 250 км/час, и к тому же часто отказывали в бою турельные пулеметы. Всего лишь за несколько дней боевых действий подразделение Гусева понесло ощутимые потери.
Яков Смушкевич вновь вспомнил о Тхоре, когда командующему республиканскими ВВС Игнасио Идальго де Сиснеросу потребовался специальный экипаж для ведения воздушной разведки. Значительную роль в этом выборе сыграло то, что Тхор, кроме летной, имел также и штурманскую подготовку. При ведении разведки, наконец, раскрылся весь талант Тхора. Вскоре его уже называли не иначе, как «глазами и ушами генерала Дугласа».
На приспособленном для разведки СБ Тхор выполнил около сотни боевых вылетов, преимущественно вместе со штурманом А.Е. Конотоповым. Он облетал практически всю территорию Испании, причем постоянно загружал самолет бомбами, чтобы не упустить случая нанести удар по важной цели. Так, 37 раз он бомбил железнодорожные узлы, 11 раз — аэродромы, а однажды даже добился попаданий в крейсер «Канариас», находившийся в районе порта Мотриль. Неоднократно и сам попадал под огонь вражеских истребителей и зенитной артиллерии. Например, после бомбежки вражеских войск на переправе через реку Харама на самолете Тхора перед посадкой не выпустилась правая стойка шасси. Летчик приземлился с креном на левую сторону, причем от толчка при касании земли правая «нога» выпала и встала на замок. В итоге все отделались легким испугом. В другой раз экипаж Тхора возвратился назад на бомбардировщике, у которого практически не работали элероны и руль высоты. Повреждения были получены во время налета в мае 1937 года на аэродром острова Мальорка, и обратный путь протяженностью около 250 км пролегал в основном над Средиземным морем.
Кроме СБ, Тхор пару боевых вылетов совершил и на таких устаревших «этажерках», как «фарман» и «дрэгон». Эти машины имелись также и у мятежников, и поэтому республиканцы использовали их для того, чтобы проникнуть к особенно сильно защищенным вражеским объектам. Так, Тхор бомбил аэродром Тортуэра, на котором базировались новейшие немецкие истребители Bf 109.
За боевые успехи Игнасио Идальго де Сиснерос подарил Григорию Тхору легковой автомобиль, а на Родине в июле 1937 года отважному летчику вручили два ордена Красного Знамени. Кроме того, его повысили в звании до майора и назначили командиром 64-й бомбардировочной бригады Забайкальского ВО. Эта бригада как раз перевооружалась на самолеты СБ, и Тхор получил возможность передать строевым пилотам весь свой накопленный в боях опыт. Он изменил боевые порядки бомбардировщиков в воздухе, значительное внимание уделил слетанности групп, а учебные задания стали выполняться в условиях, приближенных к боевым. Наряду с общим повышением дисциплины это привело к тому, что бригада по результатам проверки получила заслуженную высокую оценку.
Мирная жизнь Тхора продлилась недолго. Уже осенью 1937 года его назначили ведущим группы из 20 ТБ-3, отправленных в Китай с различными грузами по длинному и сложному маршруту. Затем на него возложили задачу формирования групп бомбардировщиков СБ для оказания военной помощи китайскому народу, ведущему борьбу с японскими захватчиками. Естественно, первая группа была сформирована из состава экипажей 64-й авиабригады. Следующие две группы СБ Тхор привел в Китай сам, после чего немедленно включился в боевые действия. Первым его заданием стала разведка японского аэродрома в Ханчжоу. Вслед за этим он принял участие и в налете на этот аэродром, возглавив девятку бомбардировщиков.
За новые успехи Григорию Тхору в феврале 1938 года присвоили звание полковника, а в марте он стал главным советником по авиации в Китае, сменив на этой должности убывшего на Родину Павла Рычагова. По воспоминаниям сослуживцев, высокий чин никак не повлиял на характер Тхора. Он по-прежнему оставался простым в обращении, жил вместе с пилотами и питался с ними из одного котла.
После «китайской командировки» Тхор некоторое время служил заместителем командующего ВВС Забайкальского военного округа. В мае 1940 года получил звание генерал-майора и вскоре был направлен на учебу в Академию генерального штаба. Завершил обучение уже перед самым началом Великой Отечественной войны и назад в Читу уже не вернулся, так как должность своего заместителя ему предложил старый знакомый по Испании, командующий ВВС Киевского ВО генерал Е.С. Птухин. Утром 21 июня 1941 года Тхор прибыл в Киев, а оттуда немедленно выехал в Терносполь, где разместился штаб авиации округа.
Первый день войны встретил Тхора бомбежками и пожарами. На командном пункте в Тернополе, еще не полностью развернутом, царил беспорядок, среди которого озабоченный Птухин тщетно пытался разобраться в ситуации на границе. Он обрадовался появлению Тхора, но разговор длился у них недолго. Без командира осталась 62-я бомбардировочная дивизия (полковник В.В. Смирнов отправился в отпуск в Ленинград и еще не успел вернуться), и поэтому Птухин предложил Тхору временно взять ее под свое командование. В состав дивизии входили 52-й и 94-й полки на самолетах СБ и Пе-2, базирующиеся в Овруче. Еще два ее авиаполка (226-й и 227-й) были оснащены ближними бомбардировщиками Су-2 и находились в резерве.
В Овручь Тхор прибыл во второй половине дня, в аккурат после немецкой бомбежки, в результате которой сгорели на земле три советских бомбардировщика. Еще большие потери 62-я БАД понесла в воздухе во время вечернего налета на вражеские моторизованные колонны в районе Грубешова. Общая обстановка на фронте оставалась неясной, и первым занятием Тхора стало освоение новейшего бомбардировщика Пе-2, знакомого ему по теоретическим курсам. Уже 23 июня он отправился на нем на разведку, пролетев вдоль границы и сбросив бомбы на немецкий аэродром, расположенный на территории Польши. На обратном пути встретился с «мессершмиттами», но сумел оторваться от них неожиданным, резким разворотом и выходом прямо в лоб атакующим истребителям. Растерявшиеся немецкие пилоты не успели вовремя среагировать на такой маневр.
24 июня Григорий Тхор возглавил девятку бомбардировщиков СБ, вылетевшую на бомбежку целей в район Владимир-Волынского. В этот день вернулся из отпуска полковник Смирнов, по стечению обстоятельств был арестован Е.С. Птухин, и в итоге Тхору пришлось довольствоваться лишь должностью заместителя командира авиадивизии. Однако если у него и возникли какие-то обиды, то чисто внешне на его поведении они не отразились, да и вообще — Тхор не был сторонником карьеризма. Наоборот, он смог теперь полностью сосредоточиться на ведении боевых действий. Всю штабную работу взял на себя Смирнов, в то время как Тхор днем и ночью находился на аэродромах. Он планировал полученные задания, занимался разбором допущенных ошибок, подбадривал летчиков в трудных ситуациях и, конечно, постоянно летал сам, особенно на разведку.
