Приезд в Испанию группы советских добровольцев во главе с К. А. Мерецковым совпал с началом очередного наступления франкистов на Мадрид. В тяжелые дни для республиканцев, с трудом отбивавших атаки мятежников, Мерецков-Петрович (его псевдоним) по распоряжению главного военного советника Я. К. Берзина сразу же включился в активную работу, выполняя обязанности советника при начальнике Главного штаба. Он познакомился непосредственно на месте с обстановкой на всех основных направлениях обороны Мадрида, оказывал конкретную помощь молодым, неопытным командирам республиканских войск.
Когда непосредственная угроза Мадриду была снята, К. А. Мерецков, В. Е. Горев, Б. М. Симонов и другие советские военные специалисты под руководством Я. К. Берзина направили свои усилия на то, чтобы помочь республиканскому правительству осуществить радикальные меры по укреплению своей армии. Совместно с испанскими товарищами был разработан план первоочередных мероприятий.
Центральная идея плана заключалась в том, чтобы вести активную оборону на фронтах и завершить создание регулярной армии, а в тылу страны – стратегических резервов. Несмотря на царившие в правительстве и военном руководстве республиканцев разногласия, предложенный план в основном был одобрен. Мадридский фронт признавался основным. Председателем хунты обороны Мадрида был назначен генерал Миаха, советником к нему Мерецков, которому, кроме того, поручили заниматься вопросами, связанными с подготовкой новых формирований для Мадридского фронта.
В городе Альбасете, который был центром формирования новых частей, вместе с Кириллом Афанасьевичем работали Н. П. Гурьев, В. Я. Колпакчи, А. И. Родимцев, Б. М. Симонов, Д. А. Цюрупа. По договоренности с Главштабом Испанской республики вначале формировались бригады, чтобы затем, когда они приобретут боевой опыт, слить их в дивизии, а когда окрепнут дивизии – объединить их в корпуса. «Мы очень торопились, – вспоминал об этой напряженной работе Кирилл Афанасьевич, – поэтому бригады не успели достаточно хорошо обучиться военному делу. Искусство войны им пришлось постигать сразу на практике».
Большую часть зимы 1936/37 года Мерецков провел в Кастилии, так как в обороне Мадрида в это время особое внимание пришлось уделять боям, развернувшимся вдоль берега реки Харамы. Не сумев пробиться к столице с юга, запада, северо-запада, мятежники повели на нее атаку с юго-востока. Цель, которую они теперь преследовали, – отрезать Мадрид от морских портов Валенсия, Аликанте, Картахена, сомкнуть вокруг него кольцо. Участвуя в боях, Мерецков-Петрович на практике показывал, как должно командиру вести себя под огнем. Во время одной из атак английские волонтеры, увидев в своих рядах русского военного советника, настолько были восхищены его храбростью, что после боя подбежали к нему, пожимали руки, обнимали, целовали.
И под Харамой мятежники получили решительный отпор.
В марте 1937 года резко усилилась активность фашистских сил. Генерал Франко, потерявший в боях под Харамой ударные кадры своего марокканского корпуса, сделал ставку на итальянский экспедиционпый корпус, соединения которого сосредоточивались к северо-востоку от Мадрида, в районе Гвадалахары. Цель мятежников оставалась прежней – пробиться к Мадриду через харамский бассейн, только с другой стороны.
В этих событиях Кирилл Афанасьевич помог республиканскому командованию разгадать замыслы врага и разработать соответствующий план действий. По его предложениям была осуществлена реорганизация республиканских войск, переброшенных на гвадалахарское направление. В марте 1937 года испанские республиканские и интернациональные части, значительно повысившие свою боеспособность, отбили атаки итальянцев, остановили их наступление, а вскоре сами перешли в контрнаступление. В итоге итальянский корпус потерпел столь сокрушительное поражение, что само слово «Гвадалахара» стало для республиканцев синонимом победы.
Через два месяца после завершающих гвадалахарских событий Мерецков возвратился на Родину. Оценивая деятельность своих товарищей, военных советников Я. К. Берзина, В. Е. Егорова, Р. Я. Малиновского, А. И. Родимцева, Н. Н. Воронова, Н. П. Гурьева, П. И. Батова, Я. В. Смушкевича, Д. Г. Павлова и др. в испанских событиях, он писал: «Эти товарищи отлично выполняли свой долг, и, в свою очередь, для большинства из них Испания послужила той школой, уроки которой пригодились им впоследствии, в 1941–1945 годах».
Слова об отличном выполнении своего долга в полной мере относятся к самому Мерецкову. Его самоотверженная служба на посту военного советника дважды была отмечена Советским правительством: за оборону Мадрида в 1936 году и Харамские бои он был награжден вторым орденом Красного Знамени, а за участие в разгроме итальянского экспедиционного корпуса под Гвадалахарой – орденом Ленина.
Четыре последующих предвоенных года после возвращения из Испании составили в жизни Кирилла Афанасьевича, как он сам говорил, особый этап. Ему были доверены ответственные служебные посты: заместителя начальника Генерального штаба, командующего войсками Приволжского военного округа, в феврале 1939 года – Ленинградского военного округа. Перед этим ему было присвоено звание командарма 2-го ранга. В мар е 1939 года на XVIII съезде партии он был избран кандидатом в члены Центрального Комитета ВКП(б).
В период советско-финляндской войны имя Мерецкова узнала вся страна. Он приобрел боевую репутацию военачальника – специалиста по ведению боевых действий в условиях лесного севера и прорыву глубокоэшелонированных районов. Летом того же года ему присвоили звание генерала армии и назначили заместителем наркома обороны; с августа 1940 по январь 1941-го он был начальником Генерального штаба, после чего, сдав дела Г. К. Жукову, возвратился на должность заместителя наркома обороны и продолжал заниматься вопросами боевой подготовки. Летом 1940 года Мерецков очень много занимался подготовкой ряда учений в Московском, Ленинградском, Белорусском, Киевском военных округах, выступал перед командным составом на разборах, делился боевым опытом, подводил итоги учений.