В Испании Неделин неоднократно встречался с начальником Генерального штаба республиканской армии В.Рохо. Это был преданный делу республики человек, и Митрофан Иванович очень обрадовался, когда услышал однажды, что Рохо прибыл в штаб мадридской армии для уяснения положения на этом направлении. Тогда же, во время первой беседы с ним, Неделин смог по достоинству оценить его талантливость, командирские способности, доброжелательность.
К середине 1938 года Испанская республика оказалась в полной изоляции. Мятежники при поддержке флотов фашистских государств блокировали все прибрежные города Испании. Кроме того, правительство Франции запретило заходить в ее порты судам с грузами, предназначенными для республиканцев. Неделин с горечью ощущал, что ситуация крайне тяжелая — не хватало боеприпасов, военного снаряжения, медикаментов, продовольствия, запасных частей для ремонта танков, орудий и самолетов.
Выход был один — максимально использовать внутренние возможности республики. Для быстрейшего решения этой проблемы требовались специалисты по многим отраслям промышленности, умелые администраторы, хорошо разбирающиеся в военном деле, твердые, смелые, способные быстро наладить выпуск боеприпасов.
Старшему артиллерийскому советнику М.П.Дмитриеву было поручено подобрать подходящего человека, который смог бы помочь в организации военно-промышленного производства. Его выбор пал на Неделина.
В начале июля Дмитриев, прилетев в Мадрид, пригласил к себе Неделина.
— Митрофан Иванович, у вас богатый боевой опыт, вы испытывали в полку АКУКС новые артиллерийские системы, были связаны с промышленностью и знаете топкости этого дела...
А через день Неделин был представлен премьер-министру Испанской республики X.Негрину, исполнявшему одновременно обязанности и военного министра...
В Испании в это время работало много наших советников-инженеров: М.А.Антоненко, П.В.Бернт, В.Березкин, А.Н.Загуменный, Я.П.Леонтьев, А.П.Лабухин, В.Н.Михайлов, П.Т.Николаев, М.Парфенов, Ф.Н.Ребров, К.А.Сидоров, И.Марков, Н.Михайлюк, П.Т.Николаев, Н.А.Чепурин, Ф.Г.Устин и другие. Митрофан Иванович провел с ними совещание, пригласив на него заместителя премьер-министра по вооружению. Пришли к выводу, что необходимо побывать на ряде заводов и разработать программу по выпуску военной продукции. На это отводился недельный срок.
Неделин создал несколько групп, которые комплектовались из советских, чешских, немецких, французских специалистов, прикрепив к каждой по опытному советнику-инженеру. Было переоборудовано несколько промышленных предприятий. Производство патронов наладили на заводе металлоизделий в Картахене. На мадридских фабриках будильников и детских игрушек выпускались взрыватели для снарядов, а на заводе «Испано-Сюиза» — винтовки и пулеметы. Советские специалисты помогли освоить изготовление на металлургическом заводе в Сагунто 76-мм снарядов, а в Валенсии создать мастерские. А ремонт военной техники производился прямо на боевых позициях.
Благодаря помощи Советского Союза росла боеспособность республиканской армии. Она сумела провести ряд успешных операций. Однако существовало «...серьезное несоответствие между общими успехами, достигнутыми республикой, и методами военного и политического руководства, которые не обеспечивали выполнение стоящих перед страной задач. Революционный энтузиазм масс разбивался о косность и инертность высших командиров, скованных профессиональными предрассудками и обветшалыми традициями. Последние придерживались пассивно-оборонительной стратегии, не верили в творческие силы трудящихся»[6].
Из-за этого осенью 1938 года на фронте сложилась тяжелая обстановка. Коммунистическая партия Испании предприняла решительные меры — спешно формировались новые части, развернулось строительство укреплений, расширялось военное производство. Неделин с группами специалистов прилагал огромные усилия к тому, чтобы сделать все возможное, удовлетворить нужды фронта. Однако к концу 1938 года положение не улучшилось, на исходе были людские резервы, иссякали запасы продовольствия, боеприпасов. Активизировали свою деятельность контрреволюционные элементы, в том числе и в республиканской армии. Они начали переговоры с Франко об условиях перемирия, но тот потребовал немедленной капитуляции. 28 марта 1939 года фронт был открыт предателями, и к 30 марта вся территория страны была занята фашистскими войсками.
В марте 1939 года Митрофан Иванович вместе с другими советскими специалистами вернулся на Родину. Его награждают орденом боевого Красного Знамени, и ему досрочно присваивается звание полковника.