Se inició en la madrugada del 30 de noviembre, un día más tarde de la fecha prevista a causa del mal tiempo y de una forma no muy afortunada para los atacantes cuando cinco aparatos nacionales que regresaban de una misión de reconocimiento se toparon con el grueso de la columna Ibarrola que avanzaba por la carretera. El consiguiente bombardeo de la misma bloqueó la carretera.
La columna del teniente coronel Cueto avanzó a través del alto de Oqueta y los embalses del Gorbea, y ocupó los pueblos de Cestafé y Elosu hasta llegar a Villarreal. Ya por la tarde, ordenó asaltar el pinar de Chavolapea, que situado al nordeste del pueblo, era clave para cortar la carretera de Vitoria. La incapacidad táctica de los dos batallones encargados de tal maniobra (uno nacionalista y el otro comunista) hizo fracasar el asalto con numerosas pérdidas.
La reacción de los mandos nacionales consistió en el envío de refuerzos a los sectores de Gopegui y de Ulibarri-Gamboa, así como a Villarreal que en estos momentos centraba los combates más duros. El general Mola se dio cuenta de la amenaza que suponía el inicio de esta ofensiva y unificó los frentes guipuacoano y alavés bajo las órdenes del general Solchaga. Este dispuso la concentración de diferentes unidades en Vitoria. Ese mismo día, la localidad era reforzada por 150 hombres, dos blindados y dos ametralladoras, mientras que los subsectores de Gopegui y Urbina recibían desde Vitoria cerca de 900 hombres correspondientes a 3 compañías y dos secciones de infantería, una sección de ametralladoras, dos escuadrones a pie de caballería y una batería de montaña con cuatro piezas.
Al mismo tiempo, la columna del comandante Ibarrola presionaba entre Mondragón y el Albertia. Tomó el Maroto y presionó hacia el puerto de Arlabán al tiempo que algunas de sus unidades llegaban hasta Villarreal e intentaban asaltarla. Por la mañana, la artillería pesada republicana sometió a esta localidad a un duro bombardeo, preparatorio del asalto que por la tarde llevaron a cabo las tropas vascas, apoyadas por los diferentes blindados.
El día 1 de diciembre presenció encarnizados combates. Tropas de Cueto entraron en Murúa y otras de Ibarrola tomaron el Albertia y alguna posición sobre Salinas de Léniz. Mientras, Villarreal quedó prácticamente aislada al ocupar las fuerzas vascas las alturas que dominan el pueblo desde el sureste y el pinar antes mencionado. En esta ocasión, las dos secciones que lo defendían tuvieron que replegarse ante el irresistible asalto republicano. Durante los tremendos ataques, tres blindados asaltantes fueron puestos fuera de combate por la artillería defensora. Por la noche, un nuevo convoy de municiones, éste con dos piezas de 105 mm, consiguió entrar en Villarreal. Mientras, siguiendo las órdenes de Solchaga, se concentraban en Vitoria diferentes fuerzas. Entre ellas se encuentraba parte de la columna de Alonso Vega, recién llegada del frente guipuzcoano.
Esa jornada fracasaba el intento de reforzar Villareal con dos piezas de 105 en un convoy que quedó detenido por el fuego republicano, pero los sublevados consiguieron municionar Villareal y recibieron en Vitoria numerosos refuerzos, consistentes en unos 2.000 hombres y 8 piezas de artillería al llegar de Gipuzkoa buena parte de la Columna Alonso Vega (el equivalente a seis compañías de infantería, una de ametralladoras y una batería de cuatro piezas), y de otros puntos más fuerzas de infantería consistentes en un batallón y una compañía a la que se sumó otra batería artillera.
Con estas tropas, al día siguiente, el mando nacional organizó tres columnas con efectivos de unas tres compañías cada una, que fueron enviadas a reforzar el flanco izquierdo del dispositivo nacional, entre Gopegui y Villarreal. Concretamente a Nafarrete, la loma de Saimendi y las situadas al este de Cestafé. La resistencia encontrada las impidió avanzar más allá y obligó a permanecer en las posiciones que ocupaban.
Las tropas de Ibarrola siguieron presionando en el valle de Léniz hasta poner bajo el alcance de su artillería la carretera de Arlabán a Modragón. En Villarreal se sucedieron los intentos republicanos por traspasar las defensas nacionales. Durante todo el día se desarrollaronn intensos y sangrientos asaltos que acabaron todos ellos en fracaso para las tropas vascas. Entre los defensores, la munición ligera escaseaba y la de artillería se agotó. Esta situación cambió radicalmente cuando Alonso Vega, al mando de una columna, reconquistó el pinar de Chavolapea y restableció así las comunicaciones con las líneas nacionales.
Los franquistas desalojaron a los batallones Olabarri e Isaac puente de los pinares del suroeste de Albertia, ocasionándoles más de 150 muertos y tomando varias decenas de prisioneros que fueron fusilados por fuerzas de la compañía de Asalto y falangistas de la columna Alonso Vega.
El día 2 de diciembre las fuerzas del bando nacional seguían contando con menos efectivos en primera línea pero contaban ya con una neta superioridad artillera que utilizaron a partir de entonces para paralizar los ataques vascos y para montar ataques parciales que les fueron permitiendo recuperar parte del terreno perdido en torno a Villareal.
Estos últimos éxitos nacionales y los continuos fracasos propios ante las posiciones enemigas comenzaron a provocar las primeras desmoralizaciones entre las tropas vascas.
El día 3, una Mehala de Tetuán reforzó el sector de Cestafé y la columna de Alonso Vega recuperó las lomas situadas en torno a Nafarrete. Los asaltos sobre Villarreal disminuyeron en intensidad y cantidad aunque persistió el continuo bombardeo. En el sector de la columna de Ibarrola, sus unidades incrementaron la presión sobre el puerto de Arlabán. La consecución de este objetivo supondría el corte de la carretera que a través de Villarreal comunica Vitoria y Mondragón y del ferrocarril Madrid-Miranda de Ebro-Irún.
El día 4, prosiguieron los combates en todo el frente, especialmente en el sector de Gopegui y en el pinar de Chavolapea, aún duramente disputado.
Además, ese día la lucha prosiguió intensa en torno a Cestafé. La lucha se amplió al citado día 5, ya que aunque las acciones libradas en torno a Legutiano revestían poca importancia, alcanzaban renovada intensidad los combates al oeste de Mondragón y al fin se iniciaba ya el ataque vasco por la zona de Orduña-Amurrio, tomando el monte San Pedro y dominando en las jornadas del 5 y 7 la Sierra de Uzquiano. Sin embargo, los franquistas no cedieron aquí más terreno, afianzando la defensa de Izarra con una pequeña columna. Las unidades que inicialmente habían formado la columna del comandante Aizpuru iniciaron una serie de ataques en su zona de Murguía que finalizaron tres días más tarde, cuando una columna nacional enviada a dicho sector restableció la situación.
Fue en estos días cuando los rebeldes comenzaron a contraatacar sobre el terreno perdido cerca de Villareal. Primero, ocupando las alturas de Saimendi y de Nafarrete, situadas en terreno de nadie, y luego, el 8 cayendo sobre el pueblo de Nafarrete.
Este mismo día 5, un lehendakari Aguirre desconectado de la evolución real de los acontecimientos en el campo de batalla, enviaba un telegrama al ministro Indalecio Prieto, en el que anunciaba la inmediata captura de Vitoria al tiempo que solicitaba una ofensiva por parte de las tropas republicanas en Aragón que les llevara a contactar con el "Ejército de Euzkadi". A despecho de estas creencias de Aguirre, la intensidad de los combates disminuía en todo el frente a causa del estancamiento de los avances iniciales. Así, el día 8, los nacionales recuperaban diferentes colinas de Saimendi y de en torno a Nafarrete.
Los días 9 y 10 de diciembre fueron de relativa calma. Las bajas vascas eran para el 10 de diciembre más del doble de las enemigas. Pese a ello, con la entrada en línea de las reservas previstas, las fuerzas de Euzkadi renovaron su ofensiva. El 11 se reactivaba la lucha en Uzquiano, donde los batallones vascos presionaron siendo rechazados. Por su parte, los sublevados avanzaban ligeramente por Gopegi y Nafarrete para encontrarse al día siguiente con la dura respuesta vasca en forma de fuertes ataques desde Cestafé a SAimendi, que ganaron terreno especialmente en esta última posición, y en fuertes bombardeos artilleros y hostigamiento de carros sobre Legutiano, prolongándose la presión vasca durante el día 13. La calma se impuso de nuevo durante varias jornadas. Sólo el 15 de diciembre intentaron los franquistas una ligera rectificación por los frentes de Guipuzkoa, en el Kalamúa, con una compañía de requetés que se retiró de nuevo a su posición tras sufrir unas pocas bajas.
Tras estos días de moderados combates, el mando vasco lo volvió a intentar sobre Villarreal el día 12. Un violentísimo bombardeo precedió a nuevos asaltos que a punto estuvieron de lograr su propósito. Tal fue la dureza de la embestida que el teniente coronel Iglesias a punto estuvo de dar la orden de retirada. Pero al final del día, los republicanos volvieron a sus trincheras sin haber conseguido su propósito. Los combates, que en esta jornada también se habían desarrollado en la zona de Nafarrete-Cestafé-Gopegui, decayeron en gran manera en los días sucesivos. Sólo el día 18, volvieron a recrudecerse, especialmente en Villarreal.
El 18 de diciembre, las fuerzas vascas atacaron la línea Nafarrete-Cestafé, consiguiendo avances mínimos a un precio excesivo. El 19 empezaba a reaccionar el adversario, aunque no seriamente, y la jornada siguiente transcurría en relativa calma, pero el 21 la columna Alonso Vega lanzaba un fuerte ataque que hundía la línea vasca ocupando toda la zona al nordesde de Cestafé.
Los últimos estertores de la lucha en Alava fueron varios ataques vascos sobre Villareal el día 22 y la reanudación del avance reblede al oeste de dicho pueblo, reocupando localidades abandonadas por las tropas de Euskadi debido a su mala posición táctica. Así reocupaban sus rivales Elosu el día 23 y Acosta y Murúa en la jornada siguiente.
Prácticamente reestablecida la línea inicial, se dio por finalizada la ofensiva de Villarreal. Este frente ya no se movería hasta el comienzo de las operaciones nacionales sobre Vizcaya en la primavera de 1937.
La ofensiva vasca sobre Vitoria había fracasado, y los rebeldes celebraron su éxito defensivo remitiendo a la capital alavesa el material capturado, que fue exhibido el 27 de diciembre en el edificio de la Caja de Ahorros Vitoriana.