L'élection du Front populaire (une coalition des gauches) en février 1936 accéléra les tensions, marquée par des violences politiques et sociales. Des grèves éclatent, des terres sont occupées par les paysans, des églises sont incendiées, tandis que la droite et les milieux conservateurs, notamment une partie de l'armée, perçoivent la République comme une menace à l'ordre établi, à la religion et à l'unité nationale. Une conspiration militaire, ourdie depuis des mois par des généraux monarchistes ou conservateurs comme Sanjurjo, Mola, Franco ou Goded, prend forme. L'objectif est un pronunciamiento, un coup d'État militaire rapide destiné à renverser le gouvernement républicain et à instaurer un régime autoritaire, voire une junte militaire.

Le plan, dirigé par le général Mola surnommé "le Directeur", prévoit un soulèvement coordonné dans toute l'Espagne. Le coup d'État débute le 17 juillet 1936 dans les garnisons du Maroc espagnol, déclenché un jour plus tôt que prévu après la découverte de certains aspects de la conspiration. Le général Franco, en poste aux Canaries, rejoint le Maroc à bord d'un avion britannique mis à sa disposition et prend la tête de l'Armée d'Afrique, l'unité la plus aguerrie de l'armée espagnole. Le 18 juillet, le soulèvement s'étend à la péninsule. Cependant, le coup d'État ne parvient pas à l'emporter rapidement dans toutes les grandes villes, ce qui est essentiel à sa réussite initiale. Si les insurgés, appelés "nationaux" ou "rebelles", prennent rapidement le contrôle de régions comme la Navarre, la Vieille-Castille, la Galice, et des bastions comme Séville, Saragosse ou Palma de Majorque, ils échouent dans les centres industriels et urbains majeurs comme Madrid, Barcelone, Valence, Bilbao ou Gijón. L'échec de la prise de contrôle de la capitale et des principales régions industrielles transforme le coup d'État en guerre civile. Le gouvernement républicain, initialement paralysé et hésitant à armer la population par crainte d'une révolution sociale, finit par distribuer des armes aux syndicats et aux partis du Front populaire. Des milices populaires (anarchistes de la CNT-FAI, socialistes de l'UGT-PSOE, communistes du PCE, trotskistes du POUM) se forment et résistent aux militaires soulevés.

L'Espagne se retrouve ainsi coupée en deux zones principales : la zone républicaine (ou loyale), contrôlant la majorité du littoral méditerranéen, les Asturies, une partie du Pays Basque, Madrid et la Nouvelle-Castille ; et la zone nationaliste (ou rebelle), contrôlant le Nord-Ouest, une grande partie de l'Andalousie intérieure et le Maroc espagnol. L'une des premières nécessités pour les Nationaux est de faire traverser le détroit de Gibraltar à l'Armée d'Afrique, bloquée par la marine républicaine restée en grande partie fidèle. C'est à ce moment qu'intervient l'aide étrangère. L'Italie fasciste de Mussolini et l'Allemagne nazie de Hitler répondent immédiatement aux demandes de Franco et envoient des avions (Savoia-Marchetti, Junkers Ju 52) pour organiser un pont aérien. Ce pont aérien, le premier de l'histoire, permet le transfert progressif de dizaines de milliers de soldats d'élite de l'Armée d'Afrique vers l'Andalousie, bouleversant l'équilibre des forces initial. Parallèlement, le Portugal du régime salazariste apporte un soutien logistique et politique aux Nationalistes.

Face à cette menace, la République organise sa défense. Les milices, bien que vaillantes, manquent de coordination et d'équipement lourd. Le gouvernement de Francisco Largo Caballero, formé en septembre et soutenu par les partis ouvriers, entreprend de militariser les milices et de créer une Armée populaire de la République. Sur le plan international, l'Union soviétique de Staline commence à apporter un soutien militaire (chars, avions, artillerie, conseillers) à la République à partir de septembre, en réponse à l'aide italo-allemande aux Nationalistes. En parallèle, la France et le Royaume-Uni promeuvent une politique de non-intervention, aboutissant à la création d'un Comité de Non-Intervention à Londres en août. Cette politique, souvent contournée par l'Italie, l'Allemagne et l'URSS, pénalise de fait la République, dont la capacité d'achat d'armes est limitée par l'embargo, tandis que les Nationalistes reçoivent des fournitures massives de leurs alliés. C'est également à l'automne 1936 que commencent à arriver en Espagne les Brigades internationales, composées de volontaires antifascistes venus du monde entier, organisées en grande partie par le Komintern.
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L'apogée militaire de l'année 1936 est la bataille de Madrid, qui débute en novembre. Les Nationalistes, après avoir atteint les portes de la capitale, lancent un assaut frontal, notamment dans la Casa de Campo et la Cité Universitaire. La défense de Madrid devient le symbole de la résistance républicaine. Les miliciens, les soldats de l'Armée populaire naissante, les premières unités des Brigades internationales fraîchement arrivées, et les chars soviétiques T-26 se battent avec détermination, popularisant le slogan ¡No Pasarán! (Ils ne passeront pas). Malgré l'intensité des combats et d'importants bombardements, les Nationalistes ne parviennent pas à prendre Madrid par la force. Leur assaut est stoppé, et la ligne de front se stabilise autour de la capitale. Devant la menace, le gouvernement républicain déménage à Valence début novembre, mais la Junta de Defensa de Madrid, dirigée par le général Miaja et le conseiller communiste Mije, organise la résistance.

La fin de l'année 1936 voit la guerre s'enliser. L'espoir nationaliste d'une victoire rapide grâce à la prise de Madrid a échoué. Le conflit s'annonce désormais long et sanglant, avec deux zones clairement délimitées et une dépendance croissante de chaque camp vis-à-vis de l'aide étrangère. Sur le plan politique, Franco consolide son pouvoir au sein du camp nationaliste, tandis que côté républicain, les tensions entre les différentes factions antifascistes commencent à apparaître, notamment entre les communistes (dont l'influence grandit grâce à l'aide soviétique) et les anarchistes/POUM, prélude aux affrontements futurs. La guerre civile espagnole, en quelques mois, s'est transformée en un conflit majeur, qui attire l'attention du monde entier et révèle les antagonismes idéologiques qui allaient bientôt déchirer l'Europe. L'année 1936 s'achève sur un front figé autour de Madrid, annonçant des années de luttes acharnées.

Le début de l'année 1937 voit la continuation des tentatives nationalistes d'encercler Madrid. En février, la bataille de Jarama éclate au sud-est de la capitale. Elle vise à couper la route vitale reliant Madrid à Valence, où siège le gouvernement républicain. Les combats sont d'une brutalité extrême et les pertes considérables des deux côtés. Les troupes nationalistes, soutenues par des unités italiennes et marocaines, affrontènt l'Armée populaire de la République et les Brigades Internationales, qui font preuve d'une résistance acharnée. La bataille se solde par un sanglant statu quo; les nationalistes ne parviennent pas à couper définitivement la route de Valence, mais les républicains subissent de lourdes pertes, notamment au sein des Brigades Internationales.

Peu après, en mars, les nationalistes, principalement avec l'aide du Corpo Truppe Volontarie (CTV) italien, lancent une nouvelle offensive au nord-est de Madrid, près de Guadalajara, dans le but de réaliser un mouvement enveloppant et d'isoler la capitale. Cependant, cette offensive se heurte à une défense républicaine bien organisée et est contrée avec succès, notamment grâce à l'utilisation de l'aviation et des blindés par les républicains dans des conditions météorologiques difficiles. La bataille de Guadalajara est une défaite significative pour les forces italiennes et une victoire morale et militaire importante pour la République, qui démontre la capacité de son armée réorganisée à mener des opérations complexes.

Suite à ces échecs sur le front de Madrid, Franco décide de modifier sa stratégie. Il concentre ses efforts sur la conquête du nord de l'Espagne (Pays Basque, Cantabrie et  Asturies), une région industrielle et minière stratégique contrôlée par la République. L'offensive dans le Nord commence en avril 1937. Les défenses républicaines dans cette région sont éparpillées et manquent de coordination efficace entre les différentes entités autonomes (Basques, Cantabres, Asturiens).

C'est lors de cette campagne qu'a lieu l'un des événements les plus tristement célèbres de la guerre : le bombardement de Guernica le 26 avril. La Légion Condor allemande et l'aviation de la Légion italienne détruisent en grande partie cette petite ville basque, provoquant de nombreuses victimes civiles. Bien que l'objectif militaire exact reste débattu (destruction d'un pont, terreur), cet événement devient un symbole international de la brutalité de la guerre aérienne contre les populations civiles et sera immortalisé par le tableau de Picasso.

Malgré une résistance acharnée, notamment autour de Bilbao et de ses fortifications (la Ceinture de Fer), les forces nationalistes, supérieures en artillerie et en aviation, progressent méthodiquement. Pour tenter de soulager la pression sur le front nord, les républicains lancent une offensive majeure à l'ouest de Madrid en juillet : la bataille de Brunete. Cette offensive vise à menacer les lignes de communication nationalistes autour de Madrid et à forcer Franco à redéployer des troupes du Nord. L'attaque républicaine connaît un succès initial. Elle perce les lignes nationalistes et progresse de manière significative. Cependant, les nationalistes réagissent avec une intense contre-offensive, en utilisant massivement leur artillerie et leur aviation pour pilonner les gains républicains. Sous une chaleur accablante, la bataille de Brunete se transforme en une guerre d'usure féroce et coûteuse des deux côtés. Elle se solde par un statu quo géographique, mais l'armée républicaine y aura dépensé des ressources humaines et matérielles considérables sans parvenir à inverser significativement la situation sur le front nord.

Pendant ce temps, la campagne du Nord se poursuit. Après la chute de Bilbao le 19 juin 1937, les nationalistes avancent vers l'ouest. Santander tombe le 26 août. Pour tenter une nouvelle fois de détourner les forces nationalistes, les républicains lancent en août une offensive sur le front d'Aragon, visant la ville de Saragosse. Cette offensive about à la coûteuse bataille de Belchite, où la petite ville est prise et détruite au terme de combats urbains acharnés, mais les forces républicaines ne peuvent aller plus loin et prendre Saragosse. Cette nouvelle offensive a été un autre échec coûteux, qui a consommé des ressources qui auraient pu être utilisées ailleurs.

En octobre, la campagne du Nord s'achève avec la chute des Asturies et la prise de Gijón le 21 octobre. La perte du Nord est un coup stratégique majeur pour la République, lui faisant perdre ses principales régions industrielles et minières (source de charbon, d'acier, d'armement) et libérant d'importantes forces nationalistes qui purent être redéployées sur les autres fronts.

Sur le plan politique, l'année 1937 est également marquée par des tensions internes croissantes au sein du camp républicain. En mai, des affrontements violents, connus sous le nom de Journées de Mai, éclatent à Barcelone entre les forces de sécurité contrôlées par les communistes et le gouvernement central d'une part, et les anarchistes (CNT-FAI) et le parti marxiste anti-stalinien POUM d'autre part. Ces affrontements, réprimés dans le sang, affaiblissent considérablement l'influence des anarchistes et du POUM, et renforcent le contrôle du gouvernement central et l'influence du Parti Communiste Espagnol (PCE), aligné sur Moscou. Ces luttes intestines nuisent à l'effort de guerre républicain.

Après la perte du Nord, le gouvernement républicain déménage de Valence à Barcelone fin octobre, ce qui reflète à la fois la situation militaire et les équilibres politiques internes. L'année 1937 se termine par une nouvelle offensive républicaine majeure, lancée en décembre, sur la ville de Teruel, en Aragon. Cette attaque surprise dans le froid de l'hiver réussit à prendre la ville d'assaut et à encercler la garnison nationaliste. La bataille de Teruel, l'une des plus rudes et des plus longues de la guerre, va se prolonger jusqu'au début de 1938, dans le froid glacial de l'Aragon.

Les forces républicaines, dans une offensive audacieuse pour détourner l'attention du front du Centre, réussissent à encercler et à s'emparer de la ville en janvier 1938. C'est une victoire morale importante, la première capitale de province prise par la République,  Elle redonne un peu d'espoir après une année de revers militaires importants, mais elle a été acquise au prix de pertes humaines et matérielles colossales, dans des conditions climatiques épouvantables. Franco réagit avec une violence extrême, en concentrant ses meilleures troupes pour reprendre Teruel. La bataille se transforme en une lutte acharnée, rue par rue, bâtiment par bâtiment, sous la neige et le gel. Les nationalistes, qui bénéficient d'un appui aérien et d'une artillerie supérieurs, lancent de contre-offensives implacables. En février, ils réussirent à reprendre la ville, et laissent derrière eux un champ de ruines et des dizaines de milliers de morts des deux côtés. Cette bataille, bien que tactiquement indécise sur le long terme, a épuisé considérablement les réserves républicaines, notamment en matériel lourd, ce qui va peser lourdement sur la suite des événements.

Fort de cette coûteuse victoire, Franco décide d'exploiter la faiblesse républicaine sur le front d'Aragon. En mars, les nationalistes lancent une offensive majeure le long de l'Ebre et à travers l'Aragon oriental. Le front républicain, étiré et affaibli par les pertes de Teruel, cède rapidement face à l'assaut coordonné de l'infanterie, des blindés et de l'aviation nationalistes, soutenus massivement par l'Allemagne et l'Italie. Les troupes républicaines sont contraintes à une retraite précipitée, souvent désordonnée. Les nationalistes avancent sur un large front, brisant toute résistance significative. L'objectif est clair : atteindre la Méditerranée. En avril, les forces nationalistes réussissent cet exploit et coupent en deux le territoire républicain. La Catalogne, principal centre industriel et portuaire encore sous contrôle républicain, est isolée du reste du territoire loyaliste au sud (la zone Centre-Sud comprenant Valence et Madrid). Cette coupure est un coup stratégique et moral terrible pour la République. La supériorité matérielle des nationalistes, particulièrement dans les airs et en artillerie, devient écrasante.

Après avoir atteint la mer, les nationalistes n'attendent pas. Leur offensive se tourne vers le sud, visant à prendre Valence. De mai à juillet, l'offensive du Levant fait rage. Les troupes nationalistes progressent le long de la côte et à l'intérieur des terres, mais rencontrent une résistance féroce. La République, consciente de l'enjeu vital, jette toutes ses forces disponibles dans la bataille pour défendre sa capitale provisoire et son accès maritime au sud. Les combats sont intenses, jalonnés par des offensives nationalistes répétées et des contre-attaques désespérées des républicains. Malgré leur détermination et quelques succès locaux, les nationalistes ne peuvent percer les lignes défensives républicaines avant Valence. L'offensive s'enlise dans des combats d'usure similaires à ceux de Teruel, mais cette fois, les lignes républicaines tiennent, notamment grâce à une meilleure organisation défensive dans cette région. L'offensive nationaliste sur Valence est stoppée, mais au prix d'un nouvel épuisement des forces républicaines.

Face à cette situation critique – le territoire divisé, les offensives nationalistes menaçant les derniers bastions importants (Catalogne au nord, Valence-Madrid au sud) – le commandement républicain décide de lancer une offensive audacieuse et désespérée. L'objectif était de traverser l'Ebre pour créer une tête de pont dans le territoire nationaliste, dans l'espoir de détourner les troupes de Franco de l'offensive sur Valence et, peut-être, de tenir assez longtemps pour qu'un conflit européen plus large éclate, ce qui aurait offert à la République une chance de survie ou d'intervention extérieure. La bataille de l'Ebre, qui commence le 25 juillet 1938, va être la bataille la plus longue, la plus vaste et la plus sanglante de toute la guerre. Les forces républicaines, commandées par le général Modesto, traversèrent le fleuve de nuit par surprise. Ils obtiennent un succès initial et progressent de plusieurs kilomètres dans les lignes nationalistes. C'est avant tout une immense victoire pour le moral du camp républicain.

Cependant, Franco réagit avec sa méthode habituelle : écraser l'adversaire par une supériorité matérielle et humaine sans compter le coût. La bataille de l'Ebre se transforme rapidement en une guerre de tranchées et d'usure effroyable sur un terrain difficile. Les nationalistes concentrent leur artillerie et leur aviation (notamment la Légion Condor allemande et l'aviation italienne, qui bénéficient d'une supériorité numérique et technologique écrasante) pour pilonner sans relâche les positions républicaines sur la tête de pont. Jour après jour, pendant plus de trois mois, les troupes républicaines subissent des bombardements incessants et des contre-attaques implacables. Elles se battent avec un courage extraordinaire, mais l'absence de renouvellement en hommes et en matériel, face aux ressources apparemment inépuisables des nationalistes soutenus par les puissances de l'Axe, rend la situation intenable. Les brigades internationales, qui représentent une part significative des troupes d'élite républicaines sur le front de l'Ebre, sont décimées. Leur retrait est d'ailleurs décidé en septembre, en geste désespéré pour tenter de gagner la sympathie des démocraties occidentales, retrait effectif en octobre.

Cet automne 1938 est également marqué par l'accord de Munich en septembre, où le Royaume-Uni et la France cédèrent aux exigences territoriales de l'Allemagne hitlérienne concernant la Tchécoslovaquie. Cet événement est un coup de massue pour la République espagnole. Il démontre que les démocraties ne sont pas prêtes à s'opposer militairement aux dictatures fascistes et nazies, et anéantit tout espoir d'une intervention étrangère en faveur de la République ou d'un conflit européen plus vaste qui aurait pu changer le cours de la guerre en Espagne. La République est plus isolée que jamais.

La bataille de l'Ebre se poursuit jusqu'en novembre. Épuisées, décimées, manquant cruellement de munitions et de ravitaillement, les forces républicaines sont finalement contraintes de repasser le fleuve, perdant la quasi-totalité des positions conquises au prix de sacrifices inouïs. La défaite de l'Ebre est catastrophique pour la République. Elle a perdu l'essentiel de son armée la plus expérimentée et le peu de matériel lourd qu'elle avait réussi à rassembler. Les rescapés sont physiquement et moralement brisés. Stratégiquement, l'offensive n'a pas réussi à détourner durablement les forces nationalistes de manière significative et n'a pas changé la donne internationale.

À peine la bataille de l'Ebre terminée, sans laisser le temps à l'armée républicaine de se reconstituer, Franco lance une nouvelle offensive majeure en décembre. L'objectif est la Catalogne, le dernier grand bastion républicain au nord de la ligne de front. Les forces nationalistes, fraîches pour certaines unités et toujours mieux équipées, déferlent sur les lignes républicaines affaiblies. Cette campagne va être d'une rapidité foudroyante face à une défense républicaine exténuée et démotivée. 

Les villes tombent les unes après les autres : Tarragone est prise le 15 janvier. L'avancée vers Barcelone, devenue la capitale républicaine, est inexorable. Le 26 janvier 1939, les troupes nationalistes entrent dans Barcelone sans rencontrer de résistance majeure. La chute de cette ville symbolique et stratégique porte un coup fatal au moral de la République et marque un tournant irréversible. Le gouvernement républicain et des milliers de civils et de militaires commencent une fuite désespérée vers la frontière française, fuyant la répression annoncée.

C'est la Retirada, un exode massif et tragique. Dans des conditions hivernales rigoureuses, des centaines de milliers d'Espagnols – on estime entre 400 000 et 500.000 – cherchent refuge en France, traversant les Pyrénées à pied, épuisés, affamés et frigorifiés. Les autorités françaises, dépassées par l'ampleur de l'afflux, improvisent l'accueil, et parquent initialement les réfugiés dans des camps de fortune sur les plages du Roussillon, notamment à Argelès-sur-Mer, dans des conditions sanitaires et humaines déplorables, avant de les transférer vers d'autres camps (Gurs, Rivesaltes, Riec-sur-Belon, etc.) qui vont devenir tristement célèbres. Cet exode vide la Catalogne de ses dernières forces républicaines et de nombreux civils.

Pendant ce temps, la communauté internationale, en particulier la France et le Royaume-Uni, qui avaient maintenu une politique de non-intervention formelle, reconnaissent le gouvernement de Franco au début du mois de février, scellant le sort de la République et isolant davantage le gouvernement de Juan Negrín réfugié en France puis retourné en Espagne. La perte de la Catalogne laisse la zone centrale de la République sans espoir de secours extérieur. L'épuisement et la désillusion s'accroît, entraînant des divisions profondes au sein même du camp républicain. Le Premier ministre Juan Negrín, soutenu par le Parti communiste, souhaite continuer la résistance à tout prix, et croit qu'un conflit généralisé en Europe, qui semble alors imminent, viendra modifier la situation. Cependant, une majorité des dirigeants républicains, dont le général Segismundo Casado, commandant de l'Armée du Centre, estiment que toute résistance supplémentaire est inutile et ne fera qu'aggraver les souffrances. Il pousse à une négociation pour une reddition qui épargnerait le plus de vies possible.

Ces divergences menèrent à une crise majeure. Le 5 mars 1939, le colonel Casado, soutenu par des socialistes, des anarchistes et d'autres républicains modérés, lance un coup d'État à Madrid contre le gouvernement de Negrín, l'accusant d'être sous influence communiste et de refuser une paix raisonnable. Negrín et ses partisans sont contraints de fuir. Ce coup d'État provoque de brefs mais violents combats de rue à Madrid entre les forces de Casado et les unités communistes, affaiblissant encore davantage les dernières défenses républicaines et démontrant la désintégration du commandement républicain.

Casado tente alors de négocier avec les nationalistes via le Comité de Défense Nationale qu'il av créé, mais Franco, sûr de sa victoire et refusant de reconnaître la légitimité d'une quelconque autorité républicaine, n'accepte qu'une reddition inconditionnelle sans aucune garantie pour les vaincus. Il exige la livraison des armes et la soumission totale. Profitant du chaos et de la désintégration interne du camp républicain, les forces nationalistes lancent leur offensive finale sur le front central le 26 mars. La résistance est quasi inexistante. Les soldats républicains sont épuisés, démoralisés et souvent sans commandement clair.

Madrid, qui avait symbolisé la résistance républicaine pendant plus de deux ans, tombe sans combat le 28 mars 1939, les troupes nationalistes y entrent sous les acclamations d'une partie de la population. Les autres poches de résistance le long de la côte méditerranéenne, comme Valence, Alicante et Carthagène, s'effondrèrent rapidement dans les jours qui suivent, souvent dans la confusion, des tentatives d'évacuation par bateau échouant en grande partie, laissant des milliers de républicains sur les quais, à la merci des troupes franquistes arrivantes. Le 1^er avril 1939, le général Franco signe depuis Burgos le dernier bulletin de guerre, déclarant la victoire totale des armées nationaliste et la fin de la guerre civile sur tout le territoire espagnol.

La fin de la guerre va marquer le début d'une longue période de dictature sous le régime franquiste, qui durera près de quarante ans. Des centaines de milliers de républicains qui n'ont pu fuir sont arrêtés, emprisonnés, exécutés sommairement ou après des simulacres de procès, ou condamnés aux travaux forcés lors d'une répression systématique et brutale connue sous le nom de terreur blanche. Des camps de concentration sont ouverts en Espagne pour accueillir la masse des prisonniers. L'Espagne sort de la guerre dévastée, saignée par trois années de conflit, marquée par des pertes humaines considérables (des centaines de milliers de morts (combats, bombardements, exécutions, malnutrition, maladies), auxquels s'ajoutent les victimes de la répression qui se poursuivit bien après la fin officielle du conflit), des destructions massives et l'instauration d'un régime autoritaire qui impose silence, peur et exil à une partie significative de sa population. 

Le régime franquiste supprima toute opposition politique, les libertés publiques furent abolies, et les aspirations régionales réprimées. L'Église catholique retrouva une place prépondérante dans la société. Sur le plan social et économique, la guerre dévasta le pays, détruisant les infrastructures et affaiblissant durablement l'économie. Les divisions sociales s'accentuèrent, laissant des cicatrices profondes dans la mémoire collective espagnole. Sur le plan international, la Guerre civile espagnole fut comme un prélude tragique à la Seconde Guerre mondiale, après avoir été de terrain d'essai pour les nouvelles tactiques et armes militaires, et avoir démontré l'échec (la lâcheté) des démocraties face à la montée des régimes totalitaires. Elle marqua durablement l'imaginaire politique et culturel mondial comme le symbole de la lutte entre démocratie/révolution et fascisme/autoritarisme.
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