В ноябре 1931 года при содействии Н.Э. Якира и Я.Б. Гамарника Штерн попадает в Секретариат НКО, где вскоре становится одним из ближайших советников "первого красного офицера" К.Е. Ворошилова - народного комиссара по военным и морским делам и председателя РВС СССР.
С ноября 1931 года Г.М. Штерн - и.о. секретаря народного комиссара обороны СССР, с мая 1933 года - начальник Управления делами народного комиссара по военным и морским делам СССР и председатель Реввоенсовета СССР (с декабря 1934 года - наркома обороны СССР). С февраля 1935 года Г.М. Штерн состоит комиссаром для особо важных поручений при наркоме обороны СССР.
22 сентября 1935 года Центральный Исполнительный Комитет и Совет Народных Комиссаров СССР издали постановление "О введении персональных военных званий начальствующего состава РККА". 20 ноября 1935 года народный комиссар обороны СССР приказом по личному составу армии за № 2396 присвоил Г.М. Штерну воинское звание "комдив".
В марте 1936 года Г.М. Штерн назначается командиром и военкомом 7-й Самарской кавалерийской дивизии. С большой энергией и усердием он берется за руководство частью. На проходивших в 1936 году маневрах дивизия под его командованием была отмечена командующим Белорусским военным округом командармом 1-го ранга И.П. Уборевичем.
В январе 1937 года комдив Штерн был направлен в "служебную командировку" в Испанию, где в то время шла национально-революционная война. До апреля 1938 года, под псевдонимом "генерал Григорович", он являлся главным военным советником командования республиканской армии. Резиденция Штерна располагалась в Валенсии на улице Альборайя, дом 8. Здесь под его руководством были спланированы все операции против войск мятежного генерала Франко в 1937-1938 годах.
Сразу после прибытия в Испанию Г.М. Штерн принимает участие в Харамской оборонительной операции (6-27 февраля 1937 г.). 6 февраля 1937 года мятежники начали наступательную операцию с целью ликвидировать плацдарм республиканских войск на западном берегу р. Харама, форсировать ее, перерезать коммуникации, связывающие Мадрид с юго-восточными районами страны, и овладеть столицей. Сосредоточив на участке протяженностью в 16 км 30 тысяч человек, около 100 орудий, до 100 танков и 70 самолетов, франкисты нанесли удар из района Пинто в направлении на Арганду.
Небольшие силы республиканской милиции, оборонявшиеся на плацдарме (до двух бригад), не смогли удержать противника и 8 февраля отошли на восточный берег. 10-12 февраля войска мятежников форсировали реку и овладели плацдармом на восточном берегу Харамы до 8 км по фронту и 2-3 км в глубину.
Республиканское командование разгадало замысел врага и перебросило к месту прорыва части регулярной Народной армии. Они перешли в наступление и не позволили мятежникам развить успех. 18 февраля республиканские войска нанесли контрудары, сосредоточив главные усилия на южном участке харамского плацдарма противника. До конца февраля в этом районе продолжались упорные бои, носившие характер встречного сражения. 28 февраля 1937 года обе стороны перешли к обороне. Благодаря исключительной стойкости и высокой активности войск Народной армии удалось сорвать попытку мятежников и интервентов отрезать Мадрид от юго-восточных районов страны и овладеть столицей.
В марте 1937 года комдив Штерн принимает участие в одной из крупных операций испанской республиканской армии под Гвадалахарой (8-20 марта 1937 г.). Генерал Франко предпринял четвертую попытку захватить Мадрид со стороны провинции Гвадалахара. Главный удар должны были нанести части итальянского экспедиционного корпуса, в который входили четыре дивизии, насчитывавшие до 40 000 человек, 222 орудия, 148 танков.
8 марта 1937 года командир корпуса генерал Роатт поставил задачу войскам перейти в наступление и в первый день овладеть Трихуэке, Бриуэгой и Торихой, а через 4 дня войти в Мадрид. Гвадалахарское направление обороняла 12-я пехотная дивизия республиканцев, насчитывавшая до 10 000 человек, 5900 активных винтовок, 85 пулеметов и 15 орудий. Несмотря на подавляющее превосходство, итальянским войскам с большими потерями удалось только 10 марта занять Бриуэгу и 11 марта - Трихуэке.
С 9 марта 1937 года республиканские ВВС под командованием Я.В. Смушкевича организовали непрерывный конвейер воздушных налетов, в котором принимали участие 45 истребителей, 15 штурмовиков и 11 бомбардировщиков. Итальянский экспедиционный корпус понес серьезный урон и вынужден был с 12 марта перейти к обороне.
Республиканское командование подтянуло дивизии Листера, Га-лана, Нанетти и части 11-й и 12-й интернациональных бригад под командованием генерала Лукача (Мате Залка). 13 марта дивизия Листера нанесла контрудар и заняла Трихуэке. 18 марта ударная группа генерала Лукача перешла в контрнаступление и овладела Бриуэгой. 19-20 марта 1937 года республиканские войска преследовали разгромленные части итальянского корпуса, которые отошли на Сигуэнсу, где их сменили франкистские войска.
Фашисты назвали этот разгром "чудом под Гвадалахарой". У итальянского экспедиционного корпуса было выведено из строя не менее 1500 человек убитыми, 1200 попали в плен, уничтожено 200 автомашин, 65 пушек, 13 гаубиц, около 500 станковых пулеметов{1}.
В Испании Г.М. Штерн сменил Яна Карловича Берзина на посту главного военного советника командования республиканской армии. В ходе проведенных успешных операций он быстро завоевал авторитет не только у республиканского командования, но и заслужил похвалу от самого Сталина. 2 июля 1937 года в выступлении на заседании Военного совета он сказал: "...Никто не думал, и я не слыхал о способностях командующего у Берзина. А посмотрите, как он дело наладил! Замечательно вел дело.
Штерна вы знаете? Всего-навсего был секретарем у т. Ворошилова. Я думаю, что Штерн не намного хуже, чем Берзин, может быть не только хуже, а лучше.. ."{2}
21 июля 1937 года за успешное руководство войсками и помощь, оказанную республиканскому правительству Испании в борьбе с фашизмом, Г.М. Штерн был награжден орденом Ленина.
Летом 1937 года сторонники мятежного генерала Франко предприняли попытку устранения командования республиканской армии и советских специалистов. 18 июля 1937 года на командном пункте собрались испанские командиры и наши советники. Фашисты в этот день предприняли попытку провести генеральное контрнаступление на Мадрид. После совещания многие из командиров почувствовали себя плохо. К вечеру стало плохо и Г.М. Штерну. Врачи установили острое отравление. Анализ показал - мышьяк. Всего было отравлено 22 человека. Как оказалось, все они завтракали в отеле "Гайлорд". К счастью, врачи сумели оказать всем квалифицированную помощь и избежать смертельных исходов.
Проходившая в Советском Союзе в 1937-1938 годах волна арестов среди военачальников Красной Армии обошла стороной находившегося в Испании Г.М. Штерна. Оторванный от советской действительности и погруженный в боевые действия, Григорий Михайлович не высказывал даже тени сомнения в справедливости производимых арестов. Вот как это описывает в своих мемуарах Герой Советского Союза, адмирал флота Н.Г. Кузнецов: "Вспомнилось, как главный военный советник Г.М. Штерн вызвал меня из Картахены в Валенсию. Я вошел к нему в кабинет и не услышал обычных шуток. Григорий Михайлович не сказал даже своего излюбленного "Салуд, амиго", только молча протянул мне телеграмму из Москвы. В ней сообщалось об аресте М.Н. Тухачевского, И.П. Уборевича, И.Э. Якира и других крупных военачальников. То были люди, стоявшие у руля Вооруженных Сил... Григорий Михайлович Штерн был хорошо знаком со всеми, кто упоминался в телеграмме. Он долгое время работал в Москве, встречался с ними и на службе, и во внеслужебной обстановке. Я видел, что он поражен не менее меня. Мы были в кабинете вдвоем. Штерн рассказывал о Тухачевском и Якире, которых знал особенно хорошо. Он высоко оценивал их деятельность в годы гражданской войны, их роль в строительстве Вооруженных Сил. Так что же произошло? Штерн только пожимал плечами, но не высказывал никаких сомнений в правильности ареста"{3}. Григорий Михайлович не мог и предположить, что через несколько лет и сам станет "врагом народа"...
В июле 1937 года при участии комдива Штерна была разработана и проведена Брунетская наступательная операция республиканских войск (5-27 июля 1937 г.). Ее целью было окружение и разгром мадридского корпуса мятежников. Республиканское командование рассчитывало ослабить нажим противника на северном фронте и сорвать готовившееся им наступление на юге. По плану предполагалось нанести два встречных удара в общем направлении на Брунете. Главный удар должны были нанести 2 корпуса из района северо-западнее Мадрида, вспомогательный - из района юго-восточнее Мадрида в направлении Навалькарнеро.
5 июля 1937 года с целью отвлечь внимание противника началось наступление республиканцев на вспомогательном направлении. Продвинувшись на 3 км, они были остановлены сильными контратаками мятежников. В ночь на 6 июля началось наступление на направлении главного удара. Сосредоточив на участке шириной 12 км 6 пехотных дивизий, около 100 орудий, 80 танков и 30 бронемашин, республиканские войска прорвали оборону мятежников. Развивая прорыв, пехота и танки республиканцев к исходу 6 июля овладели г. Брунете - важным узлом коммуникаций в тылу противника.
Генерал Франко был вынужден перебросить значительные силы с северного фронта в район Кихорна, Брунете, в результате чего продвижение республиканских частей было остановлено. 24 июля 1937 года противник нанес сильный контрудар в направлении Брунете, Кихорна, заставив республиканцев отойти в северном направлении и перейти к обороне.