Otra de las consecuencias que tuvo esta batalla fue la multiplicación y mejora de las posiciones defensivas y la ampliación de las trincheras en la región, tanto por parte de los nacionales, al ver los mandos sublevados la vulnerabilidad de la posición, como por parte de los republicanos, que no querían perder el territorio ganado. También se reforzaron las posiciones en las zonas de la sierra, la carretera de la Coruña, la Casa de Campo, la Ciudad Universitaria y las áreas urbanas de la periferia sur. Las defensas se adaptaron a las características topográficas y geológicas de la zona, y pese a que las directrices de fortificación fueron similares en ambos bandos, se aprecia una sensible diferencia entre las posiciones republicanas y las nacionales. Mientras que las primeras tienden a los largos y densos entramados de trincheras, al estilo de las ejecutadas durante la Primera Guerra Mundial, las segundas abundan en las posiciones aisladas unidas sólo por el fuego, más en consonancia con el espíritu dictado en las normas preestablecidas por el ejército español.

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    Del bando nacional debemos destacar el proyecto de fortificación llevado a cabo entre octubre de 1938 y comienzos de 1939. La 20ª División nacional fue enviada al sector de Brunete para la construcción de nuevas fortificaciones. En el bunker de los Rosales se puede leer una inscripción que reza “Viva la 21ª Cñía”, haciendo referencia a la 21ª Compañía de Zapadores, unidad de la 20ª División que construyo gran parte de estos búnkeres, así como la fecha en la que se terminó, 1939.

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    Del bando republicano, por otro  lado, debemos destacar el “Plan 69-B”, que consistió en la construcción de una línea defensiva que abarcaba desde el río Perales hasta el río Aulencia. Se comenzó a construir en diciembre de 1937, por el Batallón de Obras y Fortificaciones nº15 (BOF 15), al que más tarde se le uniría el BOF 32, y fue finalizado a comienzos de 1938. Esta línea defensiva nunca entró en uso. Actualmente quedan 16 búnkeres de esta línea defensiva, en mejor o peor estado de conservación.

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    Aunque a partir de julio de 1937 se mantuvo una guerra de posiciones, en la que los contendientes se limitaron a mantener las líneas de frente, hubo un último intento de ofensiva por parte de la Segunda República en el sector de Brunete, en enero de 1939. Este ataque republicano, de mucha menor envergadura, tenía como objetivo, además de intentar alejar una vez más el frente de Madrid, alargar la guerra, con la esperanza de que estallase la ya evidente Segunda Guerra Mundial en medio del conflicto.

   Bajo las órdenes del coronel Segismundo Casado, el día 13 de enero de 1939 comenzó el asalto contra la 20º División sublevada, con un cuerpo de ejército de maniobra creado expresamente para la ocasión. La ofensiva se inauguró a las 7:30, con un intenso bombardeo a las posiciones enemigas. A continuación, los soldados republicanos salieron de sus trincheras y avanzaron hacia el enemigo con el apoyo de ocho tanques. Pero la niebla desorientó a los carros de combate, dejando desprotegida a la infantería, que sería rápidamente frenada con fuego de ametralladoras, y convirtiéndolos en un blanco fácil.

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    Hubo un cañón antitanque acabó con siete de los ocho carros con los que contaban. El cabo artillero Elicio Correa “logró destruir cinco tanques rojos entre el gran número de los que empleaba el enemigo, gracias a su rápido y certero fuego”, como recoge el Boletín Oficial del Estado (nacional). Sería condecorado con la medalla militar individual.

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   Casado mandaría retirar las tropas 3 días después, tras sufrir elevadas bajas. Los partes de los defensores consignaron 600 bajas republicanas frente a 18 propias, unos números tan exagerados que el propio Martínez Bande aconseja “poner en cuarentena”.
    La razón del fracaso seguramente no se debió solo a la baja moral republicana, al mal planeamiento y a la dificultad de tomar unas posiciones inexpugnables. El ejército sublevado estaba perfectamente al día de los planes de sus enemigos, seguramente porque se había filtrado información (quizá por el propio Casado, que acabaría dando el golpe definitivo a la República). de ahí que la 20º División se viera reforzada con 3 batallones de la 14º División, un batallón de ametralladoras y dos secciones de morteros.