Im Dezember 1936 wurde aus 800 Milizionären aus dem Balkan und griechischen Verbannten das 18. Bataillon formiert, darunter waren etwa 400 Bulgaren, 160 Griechen und 25 Jugoslawen.
Am 11. November 1936 traf die in Albacete formierte XV. Internationale Brigade in Madrid ein und kämpfte in der Schlacht am Jarama. Die XV. Internationale Brigade rückte zu Beginn der Schlacht über durchweichte Olivenhaine vor, um die Nationalisten im Bereich der Straße von Morata de Tajuña nach San Martín de la Vega anzugreifen.[1] Während der Schlacht erlitt das Bataillon extrem hohe Verluste, so auch die anderen Bataillone der XV. Internationalen Brigade.
Am 20. September 1937 wurde das Dimitroff-Bataillon der 45. Division zugeteilt, einer Reserveeinheit der Internationalen Brigaden. Das Bataillon wurde rekonstruiert und am 13. Februar 1938 Teil der neu gebildeten 129. Brigade, die vornehmlich aus mitteleuropäischen Brigadisten formiert wurde. Kommandant wurde Waclaw Womar, der ehemalige Bataillonskommandeur des Dąbrowski-Bataillons der XIII. Internationalen Brigade. Die 129. Brigade bestand aus 5 Bataillonen, dem Dimitroff-Bataillon, dem Masaryk-Bataillon, dem Djakovic-Bataillon und zwei spanischen Bataillonen. Das Dimitroff-Bataillon blieb bei der 129. Brigade bis zur Demobilisierung der Brigade am 5. Oktober 1938. Ihr letzter Kommandant war Josef Pavel, später tschechischer Minister während des Prager Frühlings im Jahr 1968.