西班牙共和国政府方面则获得了来自苏联的援助。斯大林同意为其提供兵员和军备，但并不全是无偿援助。飞机按照零售价格出售，西班牙政府用金币支付。到了10月中旬，苏联用货轮向西班牙运送了30架“空中喀秋莎”SB-2快速轰炸机。该型轰炸机由安德列·图波列夫设计，机身表面平滑，采取悬臂式下单翼构造，安装了两台大型“莱特旋风”式引擎。苏联还向西班牙政府提供了作战灵活的“玻利卡尔波夫”I-15飞机。该型飞机采用海鸥型上翼，也被呢称为“海鸥”，西班牙则称之为“塌鼻子”。此外，苏联方面还支援了可实施侦察和地面攻击的“玻利卡尔波夫”R-5和R-Zs。
到11月初，西班牙政府收到了第一批“玻利卡尔波夫”I-16单翼机。在当时的双翼机时代，该型高速战斗机采取悬臂式下单翼构造，装有收放式起落架，机身前部装配了一台1000马力的放射状引擎。I-16被称为“鹰”，在苏联国内被称作“小驴”；在西班牙，政府军称之为“苍蝇”，叛军称之为“老鼠”。但不管是什么称号，I-16一亮相就证明自己不愧是当时最先进的战斗机。
在战机运抵西班牙之前，苏联支援的飞行员就已经到达，并且分别按西班牙文取了名：雅科夫·斯姆什科维奇化名为“道格拉斯将军”，皮尤特里·潘普尔上校成为“胡里奥上校”，战斗机群指挥官帕维·理查戈夫被称作“帕布洛”。到了11月下旬，为西班牙共和国政府作战的苏军飞行员已达300人，他们在空战初期曾一度失利，但很快就反败为胜，重新掌握了马德里的制空权。
来自其它国家的志愿者也加入到西班牙共和国政府军的战斗中。具有强烈战斗欲望的法国作家安德列·马尔罗也来到了西班牙，与他一同到来的还有一批 “波泰”Po-540双引擎轰炸机——也就是为人熟知的“飞行的棺材”。尽管马尔罗本人此前从未驾驶过飞机，但他却在西班牙执行了60多次战斗任务，并且都能平安返回。不过，他参战的时间并不长，1937年1月，这位才华横溢的博学者在空战中阵亡，而法国援助的数十架“波泰”轰炸机也已损失过半。
1936年9月下旬，第一批美国志愿者抵达西班牙，第二批和第三批也分别于11月和年底抵达。他们看重的并不是意识形态，而是反法西斯斗争事业。他们每个月的津贴是1500美元，每击落一架敌机的奖金是1000美元，对此他们已经很满足了。《纽约邮报》“会飞行的记者”本·雷德尔是唯一一名共产主义者，也是唯一一位与苏联和西班牙战友一道享有正规军军官薪水的美国志愿者。但就在抵达西班牙后不久，雷德尔便在一次空战中被莫拉托的“蓝色巡逻兵”击中，不幸遇难。
与飞行技术相比，这些美国志愿者的生活经历却并不值得炫耀。曾因回忆录《有些人还活着》而一度名声大躁的弗兰克·廷克尔，就是一个典型例证。他曾毕业于美国安纳波利斯海军军官学校，后来因行为不检点而被海军开除。此后，连一句西班牙语都不会说的廷克尔，化名弗朗西斯科·戈麦斯·特雷加，以到西班牙旅游为由办理了护照。在和他一道来到西班牙的美国志愿者中，有江湖艺人、*私走**贩，还有小偷。但是廷克尔，这位举止谦卑的阿肯色州人，嗜酒、好色、好战、酷爱飞行，后来却成为历史学者。
廷克尔的上级指挥官安德列·加西亚·拉卡尔只有27岁，但已在西班牙内战中击落了11架敌机。拉卡尔将部队编为3个“巡逻队”，每个巡逻队由4架飞机组成。其中，廷克尔和另外3名美国人组成了“美国巡逻队”。1937年2月上旬，他们转移到马德里西北的瓜达拉哈拉附近。美国人在那里第一次见到了苏联的I-16战斗机。廷克尔不认识这个新面孔，还以为是“波音”P-26“玩具枪”战斗机的翻版。
瓜达拉哈拉见证了西班牙共和国飞行员最辉煌的时刻。1937年3月上旬，有消息称意大利*队军**将向该城大举进发。一位美国飞行员驾驶着I-15飞机飞入阴暗的天空，执行武装侦察任务。在低空穿过意大利*队军**上空时，他发现被洪水冲垮的道路和桥梁阻碍了意军的前进，而意军的防空力量非常薄弱。雨一停，拉卡尔就率领他的I-15飞行中队飞上天空，每架飞机都装载着18磅重的*弹炸**。他们沿着低空飞行，搜寻到意大利*队军**后，随即对其实施轰炸。由于前几天连降大雨，大多数机场已沦为沼泽；而拉卡尔驻守的机场由于种植了苜蓿，仍然可以使用，因此在西班牙内战的交战双方中，当天在空中飞行的只有拉卡尔的部队。天空转晴之后，共和国部队的数十架战斗机和轰炸机再次对意军实施了攻击。意军损失了大批人员和装备，进攻瓜达拉哈拉的行动被迫终止。空中力量成功地阻击了大规模地面进攻，这在历史上还是第一次。
在战斗的间隙，飞行员们可以在马德里的佛罗里达酒店尽情地享受桑拿，还有接二连三的聚会活动。在那里，他们结识了欧内斯特·海明威和其他新闻记者。海明威的短篇小说《决战前夜》中有一位名叫鲍尔迪的飞行员，正是以拉卡尔为原型塑造的。
尽管共和国的飞行员掌握了空战主动权，但志愿者们在西班牙所剩的时间已经越来越短。廷克尔和另一位名叫鲍姆雷的美国飞行员被调到苏军“莫斯卡”飞行中队。在夏季结束前，他们都将返回国内。新组建的西班牙空军将成为共和国空战的主力，他们都曾在苏联受过训练。