Aunque en los primeros meses de la guerra Altolaguirre perdió tanto a su hermano Luis como a su hermanastro Federico, ambos fusilados por los republicanos, el malagueño se mantuvo siempre fiel a la causa de la República. Colaboró con versos de urgencia en El Mono Azul, el boletín de la Alianza de Escritores Antifascistas, que también lo nombró director del Teatro Español. Si bien ya era autor de tres obras teatrales inéditas —Amor de dos vidas (1932), Entre dos públicos (1933-1934) y Castigadme si queréis (1933-1934)—, ahora, apoyado por varios de los actores de La Barraca, se estrenó como director escénico, llevando varias obras de Cervantes a los frentes cercanos a la capital española.

En el invierno de 1936 se trasladó a Valencia, donde se incorporó al grupo de poetas y artistas que a partir de enero de 1937 había de editar Hora de España: Juan Gil-Albert, Arturo Sánchez Barbudo, Ramón Gaya, Luis Cernuda, Emilio Prados y Arturo Serrano Plaja, entre otros. Además de esta revista, Altolaguirre imprimió diversos volúmenes con motivo del Congreso Internacional de Escritores Antifascistas (Valencia, 1937): la antología Poetas en la España leal y los libros Bajo tu clara sombra y otros poemas, de Octavio Paz, Momento español, de Juan Marinello, y España: poema en cuatro angustias y una esperanza, de Nicolás Guillén.

En Valencia, Altolaguirre prosiguió su carrera teatral. En enero de 1937 estrenó su obra El triunfo de las Germanías, escrita en colaboración con Bergamín. Más tarde, con motivo del congreso, dirigió la puesta en escena de Mariana Pineda, de García Lorca. En julio de 1938 se incorporó a filas en el frente de Aragón, desde donde imprimió el diario del XI Cuerpo del Ejército del Este. En agosto, ayudado por Juan Gil-Albert, editó la hoja literaria Granada de las letras y de las armas en un taller instalado en el Monasterio de Gualter. En noviembre empezó a trabajar en la antigua imprenta del Monasterio de Montserrat, donde editó la revista Los Lunes de El Combatiente (1938-1939) y los libros Cancionero menor para los combatientes (1936-1938), de Emilio Prados, España en el corazón (1938), de Pablo Neruda, y España, aparta de mí este cáliz (1939), de César Vallejo.

En los primeros días de febrero de 1939, física y moralmente deshecho por la guerra, Altolaguirre abandonó España. Tras cruzar la frontera fue a parar a un campo de concentración en Perpiñán, donde sufrió una crisis nerviosa. Gracias a la intervención de la Asociación de Escritores Antifascistas de Francia, al poco tiempo logró reunirse en París con su esposa y su hija. En marzo, con la ayuda de Paul Éluard, Pablo Picasso y otros amigos residentes en la capital francesa, los Altolaguirre escaparon de Europa e iniciaron un exilio que los llevaría primero a Cuba y luego a México.