La quinta ofensiva franquista se lanzó para tomar el cruce de la Venta de Camposines, para allí situar la artillería y así poder lanzarse a escalar los riscos y paredes de la sierra de Cavalls.
El día 18 de septiembre comenzó el mayor bombardeo y ataque de aviación de toda la campaña. A las cinco y media de la madrugada empezó el bombardeo. La 1ª Brigada de la 82ª se lanzó al ataque en el frente norte. Paralelamente, la 1ª de Navarra y la 13ª se lanzaron al combate por la carretera que une Corbera con Ascó. El ataque de la 82ª se atascó casi nada más empezar. El terreno favorecía enormemente la resistencia republicana. El día 19 se lanzó la 13ª, que logró tomar la cota 460 y otras dos posiciones, fracasando el resto de sus ataques. Sus filas fueron muy diezmadas, por lo que Yagüe, al finalizar el día, decidió sustituirla por la 4ª de Navarra.
El día 21 Dávila ordena que el peso de los combates pasen de Yagüe a García Valiño, para que progresase por la sierra de La Vall: la 1ª de Navarra y la 13ª llevarán nuevamente el peso de los combates. Debían tomar la inexpugnable cota 287. Los días 21 y 22 de septiembre la 13ª, con apoyo de medios blindados, se lanza a tomar esta altura. Llevaba en punta de lanza dos banderas de la Legión, que consiguen llegar a las trincheras, donde se combate cuerpo a cuerpo. La llegada de la División 35 republicana de Pedro Mateo Merino obligó a retroceder a los nacionales, aunque durante la noche los rojos evacuaran la posición. Solamente quedaban cuarenta y cinco defensores con vida tras dos días de combates continuos.
Los brigadistas combatieron por última vez el día 23 contra los legionarios. Comunistas estadounidenses, ingleses, franceses, suecos e italianos se lanzaron al ataque por última vez cantando La Internacional y La Carmagnole. Fueron barridos por los fieros legionarios de Millán Astray.
El 26 de septiembre la lluvia paralizó las operaciones. En ocho días de combates sólo habían avanzado los franquistas cuatrocientos metros, pero habían liquidado a la mayor parte de los restos del Ejército del Ebro.
Rojo, el cerebro y jefe del Estado Mayor republicano, intentó reorganizar el GERO, pero ya resultaba imposible. A finales de septiembre el ejército de la República estaba al límite de sus posibilidades. La guerra estaba perdida si no pasaba algo en Europa.
Es en estos momentos cuando Franco, a petición de Yagüe, retiró del frente a la 13ª División, Mano Negra, que llevaba en primera línea de fuego desde el 25 de julio. Había defendido Gandesa para luego ser la punta de lanza de la contraofensiva. Su puesto lo ocupa la 53 del coronel Sueiro. la 1ª de Navarra también fue retirada del frente. Simultáneamente, la División 46 republicana, ante la amenaza de verse flanqueada, empezó a retirarse para terminar huyendo en desbandada. Modesto, ante el peligro de la total desaparición del frente republicano, se vio obligado a retroceder para reorganizar sus líneas.
El 20 la ofensiva nacional se detiene totalmente. La lluvia y el cansancio de las tropas así lo aconsejan. Han logrado abrir un pasillo de 10 kilómetros de profundidad y 12 de anchura en su parte más amplia, y de 2 en su vértice. La operación ha costado 4.000 bajas a los franquistas y más del doble a los republicanos. Han logrado dominar la sierra de La Vall y los campos próximos a la Venta de Camposines, pero han pagado un enorme precio.
La dureza de los combates y su escaso éxito crea tensiones en la cúpula de mando del bando franquista. García Valiño protesta por la indisciplina de Sueiro y de Camilo Alonso Vega, y por las continuas interferencias de Franco. Yagüe y García Valiño, los dos pilares que llevan el peso de los ataques, mantienen una relación tirante fruto de sus competencias por alcanzar la victoria final:
«Mucho más directo en sus críticas fue el general Yagüe, quien no tuvo ningún empacho en acusar a Vigón de falta de autoridad. En el fondo latía una pésima relación entre García Valiño y Yagüe. No obstante, ambos generales estaban de acuerdo en un aspecto: la campaña se estaba llevando mal. Esta crítica también la hacían suya gran parte de los jefes divisionarios... Franco convoca una reunión con todos los altos mandos —jefes de cuerpo de ejército y división— con el objeto de refirmar su autoridad y también de explicar cuáles serán las líneas definitivas de la decisiva ofensiva que debía llevarse a cabo. La reunión se llevó a cabo el 23 de octubre y fue extraordinariamente tensa, no sólo por las mutuas recriminaciones. Franco acusaba a casi todos sus subordinados de no actuar con energía, mientras que éstos se quejaban de la tremenda sangría que suponía su táctica. Las desavenencias internas se agravaban ante los reproches que se dirigieron García Valiño y Yagüe.
Finalmente, todos los oficiales y jefes abandonaron la reunión, solamente quedaron Franco, Vigón, García Valiño y Yagüe, quienes pactaron las líneas maestras de la ofensiva final: asalto a Cavalls, avance hacia el río y persecución del enemigo. No ha quedado aclarado de quién partió. Algunos historiadores opinan que la estrategia final partió de Vigón, mientras que otros se inclinan por García Valiño. Es muy probable que el diseño de la ofensiva fuera de este último, ya que si bien se atenía al modelo clásico de «artillería + infantería», presentaba algunas novedades interesantes. No obstante, algunos autores siguen sosteniendo que fue Vigón, quien hasta el momento era el cerebro gris de toda la batalla, el que dispuso y concibió el asalto a Cavalls como única salida posible de aquel sangriento atolladero.
El peso de la ofensiva caería sobre el Cuerpo de Ejército del Maestrazgo. El Cuerpo de Ejército Marroquí debería limitarse a usar sus tres divisiones, la 4ª de Navarra, la 50 y la 152 como medio para fijar a las tropas republicanas e impedir que alguna de las brigadas del XV° Cuerpo acudiera en auxilio de las tropas de Líster. La 50ª División atacaría el área de La Pobla de Massaluca, donde estaban los restos de la 35ª División; la 152ª División, la cota 451, defendida por la 3ª División; y la 4ª de Navarra presionaría al sudeste de Gaeta contra el flanco de la 3ª y la 44ª divisiones republicanas.