Državljanska vojna v Španiji, ki je izbruhnila julija 1936, je postala svojevrstna generalka pred drugo svetovno vojno. Prav na Pirenejskem polotoku sta se nacistična Nemčija in fašistična Italija prvič na bojišču postavili nasproti Sovjetski zvezi.
Kljub večkratnim prošnjam Narodne fronte za vojaško pomoč se ZSSR sprva ni nameravala vključiti v konflikt v daljni Španiji in je hotela ohraniti nevtralnost. Ker pa se je t. i. Mednarodni komite o nevmešavanju v španske zadeve izkazal za popolnoma nevzdržnega, Nemci in Italijani pa so se v državljansko vojno na Pirenejih vse bolj vmešavali, se je kmalu priključila še Sovjetska zveza.
Moskva je z nudenjem vojaške pomoči Drugi španski republiki želela preprečiti zmago Nemčiji naklonjenih nacionalistov pod vodstvom Francisca Franca in s tem širitev vpliva Tretjega rajha, obenem pa je nameravala začeti sodelovanje z zahodnimi državami na protifašistični osnovi. Slednje so bili Sovjeti sicer kmalu primorani odmisliti, saj so se Britanci in Francozi distancirali od konflikta že v začetku in uvedli embargo na izvoz orožja vojskujočima se stranema.
Prva sovjetska ladja z orožjem je priplula v pristanišče Cartagena 12. oktobra 1936. V vsem trajanju vojne so v pristaniščih pod nadzorom republikancev razložili 66 ladij, ki so v Španijo dostavile sovjetsko vojaško tehniko, strelno orožje, strelivo itd. Vodstvo Narodne fronte se je samo odločilo, kakšno orožje potrebuje in zanj plačevalo z gotovino, s sovjetskimi krediti in tudi lastnimi zlatimi rezervami, del katerih je bil pripeljan v Sovjetsko zvezo v prvih mesecih vojne.
V treh letih trajanja državljanske vojne je Moskva koaliciji Narodne fronte dostavila 648 letal (lovcev I-15 in I-16, bombnikov SB in drugih), 347 tankov (v glavnem T-26), 60 oklepnih avtomobilov, več kot 1.100 artilerijskih orodij, 340 minometov, 20.000 mitraljezov, skoraj 500.000 pušk, 862 milijonov nabojev, 3,5 milijona granat itd. Januarja 1937 je minister za pomorstvo španske republike Indalecio Prieto zapisal: "Sovjetska zveza je bila edina država (poleg Mehike), ki je Španski republiki dostavila vojaško pomoč na preprost način in brez pompa. Dobavila je vse, kar je lahko ..."
Poleg orožja so na pomoč republikancem prihiteli tudi vojaški svetovalci in strokovnjaki – piloti, tankisti, mornarji, vezisti, protiletalski artileristi, vojaški inženirji in prevajalci. Njihova naloga je bila, da pripravijo in izurijo republikanske oborožene sile, čeprav so nekateri morali tudi sami sodelovati v bojih.
"V Španijo smo poslali tako svoje mlade, neizkušene operativce, kot izkušene profesionalne inštruktorje. Ta država je postala nekakšen poligon, na katerem smo preizkušali in izpopolnjevali naše obveščevalne operacije. Mnoge kasnejše poteze sovjetskih obveščevalcev so temeljile na pridobljenih izkušnjah v Španiji," je zapisal eden od najvidnejših sovjetskih obveščevalcev in diverzantov Pavel Sudoplatov.
Pomoč, ki sta jo Nemčija in Italija nudili nacionalistom, je za večkrat presegala sovjetsko pomoč republikancem; fašistični tabor je dostavil dvakrat več letal, skoraj trikrat več tankov, 2,5-krat več artilerijskih orodij. Samo nemška prostovoljna letalska legija Kondor, ki je bila odgovorna za skoraj polovico vseh zračnih zmag fašistov med vojno (314 od 695), je štela okoli 5.000 mož. Mussolini je v Španijo poslal ekspedicijski korpus 50.000 mož, od katerih je bilo 20.000 pripadnikov njegove osebne garde črnosrajčnikov. Število sovjetskih vojakov medtem ni presegalo 2.000 mož, a republika se je dolgo časa obdržala prav po njihovi zaslugi.
Ključno vlogo so sovjetski vojaški strokovnjaki in svetovalci odigrali v obrambi Madrida jeseni 1936. Odločilna etapa te bitke je bil juriš sovjetskih tankov T-26 proti vasi Seseña (30 km od prestolnice) 29. oktobra. V ofenzivi so razbili eskadron maroških konjenikov, uničili frankistični pehotni bataljon in nanesli ogromno škode tankistom italijanskega korpusa. Prav v tej bitki je poveljnik tankovskega voda Semjon Osadčij izvršil prvi tankovski taran v zgodovini, ko je v prepad potisnil italijansko tanketo tipa Ansaldo.
"Kako hitro se je spremenilo razpoloženje Špancev na fronti in v zaledju, ko so se v začetku novembra na nebu iznad Madrida pojavili republikanski lovci I-15 in I-16, ki so jih pilotirali sovjetski prostovoljci in ki so nacionalistom zadali prve zračne udarce. Obdobje nekaznovanosti fašističnih zračnih piratov se je končalo." S temi besedami je svoje izkušnje opisal vojaški svetovalec Pavel Batov. Poleg tega so že konec oktobra bombniki SB izvedli množično bombardiranje letališč frakistov v Ávili, Sevilli, Salamanci in drugih mestih.
Bombniški piloti z letali SB (ki so jim Španci pravili Katjuše) so v uvodnih etapah vojne zagospodarili nad španskim nebom. S hitrostjo 450 km/h so bili za italijanske lovce Fiat CR.32 in nemške Heinkel He 51 nedosegljivi. Poleg bitke za Madrid so bili bombniki SB aktivno uporabljeni pri obrambi Guadalajare, v bitki pri Jarami in v napadih na pomorsko bazo frankistov v Palma de Mallorci. Šele, ko so se spomladi 1937 v zraku pojavili nemški Messerschmitti Bf-109, je bilo gospostva bombnikov SB konec.
Po bolečih porazih republikanske vojske spomladi 1938 je Stalinu postalo jasno, da je usoda Narodne fronte zapečatena. Središče njegove pozornosti se je preusmerilo v osrednjo Evropo, kjer so si nacisti marca priključili Avstrijo. ZSSR je začela postopoma umikati izkazano pomoč republikancem in vračati svoje strokovnjake in svetovalce domov. Od skoraj 2.000 sovjetskih državljanov, ki so bili poslani v Španijo, jih je tam umrlo 189, 59 pa je prejelo naziv junak Sovjetske zveze, nekateri posmrtno.
Po uničenju Druge španske republike je v Sovjetsko zvezo odšlo šest tisoč Špancev, od katerih se je več sto udeležilo vojne proti nacistični Nemčiji, ki je izbruhnila leta 1941. Zavoljo svojih bogatih izkušenj s partizanskim bojevanjem so služili predvsem v diverzantskih odredih. Eden od Špancev, ki so se v Rdeči armadi najbolj proslavili, je bil Rubén Ruiz Ibárruri, sin ene od voditeljic komunističnega gibanja v Španiji Dolores Ibárruri. Kot poveljnik strojnične čete je padel v boju za Stalingrad in bil leta 1956 posmrtno odlikovan z nazivom junaka Sovjetske zveze.
Frankisti so sanjali o tem, da bi se Sovjetom maščevali za njihovo vmešavanje v državljansko vojno in napad nemške vojske na ZSSR je predstavljal idealno priložnost za to. Na vzhodno fronto je bila poslana 18.000-glava 250. divizija španskih prostovoljcev (širše znana kot Modra divizija), ki je sodelovala v obleganju Leningrada. Oktobra 1943 pa je Francisco Franco ob zavedanju, da se tehtnica vojne preveša na drugo stran, Špance poklical nazaj domov. Ti, ki se niso hoteli vrniti, so se pridružili enotam SS in se bojevali proti Rdeči armadi vse do padca Berlina.