13 октября 1936 года советский транспорт «Большевик» выгрузил ящики в порту Картахены, в которых находилось 18 истребителей И-15, а через несколько дней в аэропорт к югу от Аликанте прибыли 150 военнослужащих советских ВВС, включая 50 летчиков во главе с полковником Яковом Смушкевичем — известным в Испании под псевдонимом генерал Дуглас.
Их боевой дебют состоялся на Мадридском фронте 4 ноября 1936 года, когда группа истребителей И-15, сразу же прозванных испанцами «чатос» («курносые»), атаковала самолет-разведчик Итальянского воздушного легиона «Ромео-37», который сумел ускользнуть, когда ему на помощь прилетели два итальянских истребителя «Фиат-32». Но русские не были новичками и вскоре оба «фиата», охваченные огнем, полетели вниз.
В октябре и ноябре 1936 года советские суда доставили в Испанию еще одну группу летчиков и авиамехаников, а также самолеты.
Первым боевым советским самолетом, принявшим участие в боевых операциях в Испании, как ни странно, был не И-15, а скоростной двухмоторный фронтовой бомбардировщик конструкции Туполева СБ-2, только что начавший поступать в части ВВС Красной Армии. Он был вооружен тремя пулеметами 7,62 мм, имел дальность полета 1000 километров и нес бомбовую нагрузку в 500 килограммов. Обладая максимальной скоростью 420 км/час, этот бомбардировщик был не только быстрее итальянского истребителя «Фиат-32», но и превосходил его без бомбовой нагрузки в скороподъемности. В течение многих недель бомбардировщики СБ-2 «Катюша» бороздили воздушное небо Испании, фактически не опасаясь истребителей противника, которые могли перехватить их над линией фронта, лишь набрав большую высоту и спикировав из засады на высокой скорости.
Третьим типом советского самолета, воевавшим в небе Испании, был истребитель И-16, эскадрилья которых прибыла в порт Бильбао 25 октября 1936 года. Ровно через месяц они уже были брошены в бой для прикрытия наступающих республиканских войск. И-16, прозванный «москас» («мошка») республиканцами и «рата» («крыса») националистами, намного превосходил немецкий истребитель «Хейнкель-51», так же как и другой истребитель националистов «Фиат-32». Вначале И-15 и И-16 широко использовались для атаки сухопутных сил противника, но затем большинство операций подобного рода постепенно взяли на себя советские самолеты-штурмовики Р-Z «Наташа» — штурмовой вариант разведчика Р-5.
В январе 1937 года 17 советским летчикам-добровольцам, воевавшим в Испании, было присвоено звание Героя Советского Союза, хотя в сообщении говорилось, что они награждены «за успешное выполнение ответственного правительственного задания». Среди награжденных — капитан С. Ф. Тархов, командир 107-й эскадрильи (И-15), командиры отрядов этой же эскадрильи Н. Ф. Баланов и лейтенант И. А. Лакеев получили Золотые Звезды Героев позднее в этом же году. Кавалерами высшей советской награды стали также А. К. Серов — лучший советский ас в Испании, сбивший 16 самолетов, П. В. Рычагов, имевший на своем счету 15 вражеских самолетов, а также капитан И. Т. Еременко (14 самолетов), который в 1937 году принял командование советской группой истребителей в Испании от генерал-майора П. И. Пумпура, тоже Героя Советского Союза. Среди лучших советских асов в Испании был также известный летчик-испытатель Степан Супрун.
Основные силы немецкого легиона «Кондор» были отправлены в Испанию в конце ноября 1936 года. Они состояли из трех эскадрилий истребителей «Хейнкель-51», четырех транспортно-бомбардировочных эскадрилий, оснащенных «Юнкерсами-52/3М», разведывательной эскадрильи самолетов «Хейнкель-70», эскадрильи гидросамолетов, шести батарей зенитных орудий, четырех рот связи и ремонтно-восстановительных частей.
Однако недостатки немецких истребителей «Хейнкель-51» вскоре стали очевидными: они оказались неспособными перехватывать бомбардировщики СБ-2 даже в самых выгодных условиях и были вынуждены избегать встреч и схваток с И-15 и И-16. С марта 1937 года эти истребители использовались главным образом как легкие бомбардировщики.
В феврале 1937 года националисты, стремясь окружить Мадрид, перешли в наступление на реке Харама и первоначально имели успех, однако республиканцы не дали им возможности завоевать господство в воздухе. Собрав в кулак около 200 И-15, И-16, Р-Z и СБ-2 в районе Мадрида, они нанесли тяжелые потери бомбардировочным авиаотрядам националистов, оснащенным «Юнкерсами-52». Прикрывавшие бомбардировщики итальянские истребители опасались перелетать линию фронта.