18 июля 1936 года в Испании началась гражданская война: против демократической республики вспыхнул фашистский мятеж, который поддержали Гитлер и Муссолини. На помощь Испанской республике устремились добровольцы из 54 стран мира, в том числе и Советского Союза. Среди советских летчиков-добровольцев на помощь Испании отправился и Серов…

Перед Испанией Серову разрешили отправиться на родину - повидать своих родных. Это было его последнее посещение родных мест. В этот приезд Анатолий выполнил давнее свое обещание – покатать отца на самолете. На аэродроме арендовал санитарный самолет Наркомздрава и вдвоем взлетели над городом. Константин Терентьевич впервые видел родные места с высоты птичьего полета, они пролетели над городом, над Воронцовским Рудником, Турьей. Позже Константин Терентьевич вспоминал, что это был один из лучших моментов в его жизни.

В мае 1937 года старший лейтенант Анатолий Серов отправился добровольцем на помощь испанскому народу, став асом военно-воздушных сил Родриго Матео.

На аэродроме недалеко от Мурсии летчики получили самолеты. Старенькие, уже побывавшие в переделках, И-15 - «чатос»(«курносый») и И-16 «москас» («мошка»). Серова зачислили в эскадрилью «чатос». Комнадиром эскадрильи назначили капитана Ивана Трофимовича Еременко. Анатолий стал командиром звена. «Мошки» и «чатос» противостояли в воздушном бою немецким «Юнкерасам», новейшим «Мессершмидтам», итальянским «Фиатам».

Брунетская операция - наступательная операция республиканских войск с целью ослабить давление противника на столицу. Во время Брунетской операции «чатос» прикрывали наземные войска, сопровождали республиканские бомбардировщики, отражали налеты на Мадрид. Эскадрилья Серова дислоцировалась в 17 км от Мадрида. Летчики совершали вылеты с фронтового аэродрома Сото, часто по пять-шесть раз в день, при этом в воздушных боях численность самолетов противника нередко в два-три раза превышала «чатос». За время Брунетской операции Анатолий Серов сбил шесть вражеских самолетов.

В конце июля 1937 года Анатолий Серов был назначен командиром эскадрильей И-15 «Чатос». Тогда же националисты перебросили под Мадрид группу бомбардировщиков Ju-52 из состава немецкого легиона «Кондор». «Юнкерсы» использовались для ночных бомбардировок. Анатолий Серов стал инициатором «Ночного патруля» из истребителей 1-й эскадрильи. В ночь с 25 на 26 июля 1937 года Михаил Якушин впервые в истории авиации в ночном воздушном бою сбил вражеский бомбардировщик. Следующей ночью 27 июля Серов сбил Ju-52. Ночные бомбардировки Мадрида прекратились. Михаил Якушин и Анатолий Серов были награждены испанским правительством именными часами и легковыми автомобилями «Chrysler».

Сам Серов рассказывал об этой знаменательной ночи.
— Темная ночь. Луна то и дело скрывается за облаками. Обыскиваю небо в надежде, что противник снова придет на прежнюю высоту. Могут, конечно, и изменить маршрут после вчерашней катастрофы. На этот случай внизу дежурит Миша... Но почему-то кажется, что непременно встречусь с противником. Ведь там не подозревают о вчерашней стычке. Наверно, объясняют гибель своего бомбардировщика техническими причинами... Вот луна выплыла из облака. На ее фоне я приметил, точь-в-точь как тогда на Дальнем Востоке, маленькую движущуюся точку и отблеск лунного света на ней. Сразу беру курс на сближение и вижу перед собой огромный бомбардировщик. Черной тенью идет к нашей территории. Значит, вчерашнее поражение их ничему не научило, и они не ожидают вторичного нападения. Ну, авось новый урок подействует! Погоди же, гадина фашистская... Зашел сзади снизу и дал из всех пулеметов.
Смотрю, валиться начинает. Вспыхнуло пламя и погасло. Это что? Мало ему дал? Настигаю его снова и вдруг скорей прочь от него: из всех его баков разом вырвались такие столбы огня, что я еле успел отвернуть. Отошел подальше, смотрю, как он «гремит» на землю. А ведь намеревался «пахать» ее своими бомбами. Пусть теперь пашет ее носом. Пламя на несколько секунд стихает, потом вновь разгорается и уже на земле превращается в далеко видный костер.
Из рапорта А. К. Серова командованию:
«...Было очень трудно обнаружить в ночной темноте самолеты противника. Наконец мне повезло: внезапно я заметил отблеск луны на крыльях одного из вражеских пиратов. Я приблизился и увидел, что это «юнкерс-52»; открываю огонь, фашисты мне немедленно ответили, но так как я летел ниже их, то они меня не видели. Я приблизился к их самолету с правой стороны и снизу и примерно с расстояния в тридцать метров открыл огонь из всех четырех пулеметов, попал в бензобаки и увидел языки пламени, которые представляли прекрасную мишень; я выпустил еще несколько очередей и увидел, как «юнкерс» клюнул носом, вошел в пике и разбился о землю...».
Анатолий Константинович рассказывал дальше, как он, вернувшись в исходную позицию, почти тотчас же увидел второй бомбардировщик!

15 октября 1937 года Анатолий Серов участвовал в уникальной операции по уничтожению самолетов противника на аэродроме Гарапинильос. Две эскадрильи (Серова и Чиндосвинто) атаковали аэродром пулеметами и мелкими бомбами. Остальные 4 эскадрильи прикрывали атакующих. В результате около 60 вражеских самолетов было уничтожено или повреждено, подавлены зенитные батареи, уничтожены 2 истребителя, взорваны склады боеприпасов и другие постройки. Республиканцы потерь не имели. Это было первое в истории авиации применение истребителей для уничтожения вражеских самолетов на земле.

Прилетая в республиканский штаб авиации, Анатолий выделывал в небе всякие «штучки» для семнадцатилетней переводчицы при группе советских военных советников Аделины Абрамсон. В январе 1938 года вместе со своей невестой Аделиной на подаренном испанским правительством ярко-красном «крайслере» Анатолий отправляется через Францию в Ленинград. Испанская командировка закончилась. «Салют, Испания!»

За время пребывания в Испании Анатолий Константинович совершил около 180 боевых вылетов, провел 38 воздушных боев, сбил 15 вражеских самолетов (8 лично, 7 в группе). Летчики его эскадрильи - 70.

За организацию ночных воздушных боёв и успешную штурмовку аэродрома Гаррапинильос он был награждён двумя орденами Красного Знамени, а испанское правительство ходатайствовало о присвоении лётчику звания Героя Советского Союза.