蘇德戰爭開始後，希特勒就將奪取烏克蘭和列寧格勒作為他的首要目標，他堅持認為列寧格勒和烏克蘭比莫斯科具有更大的重要性。所以當中央集團軍群攻佔斯莫棱斯克，扣開了通往莫斯科的大門時，他卻暫時放棄了對莫斯科的進攻，分散中央集團軍群的兵力去支援對烏克蘭和列寧格勒的作戰。而當基輔會戰展開後，希特勒又突然改變了他的戰略，決定等基輔會戰勝利結束後，將作戰重點回到莫斯科軸線上，而只對列寧格勒實施圍困。
1941年9月6日，希特勒發布了第35號訓令，代號「颱風」行動，確定10月2日發起莫斯科會戰。訓令規定，莫斯科攻勢由包克元帥的中央集團軍群實施，同時還從南方集團軍群和北方集團軍群抽調了大批兵力。至9月底，中央集團軍群已集中了74個師（其中包括14個裝甲師、8個摩托化師），180餘萬人、1700輛坦克、14000門大炮和迫擊炮，1390架飛機。中路是由克魯格元帥指揮的第4集團軍和赫普納指揮的第4裝甲兵團，其任務是先從斯莫棱斯克南面向莫斯科以西的維亞茲馬包圍，再由此向莫斯科挺進；北路是斯陶斯指揮的第9集團軍和霍特指揮的第3裝甲兵團，其任務是先從斯莫棱斯克北面向維亞茲馬包圍，再向東北，從北面包圍莫斯科；南路是魏克斯指揮的第2集團軍和古德里安指揮的第2裝甲集團軍，其任務是對布良斯克的蘇軍發起鉗形合圍並予以聚殲後，由南面包抄莫斯科。
擔任莫斯科防禦任務的蘇軍共三個方面軍，最初約80萬人、770輛坦克、9150門大炮和迫擊炮、545架飛機。西方方面軍部署在維亞茲馬以西60英里處，其任務是阻止德軍沿主要方向突入莫斯科；大本營的預備方面軍，與西方方面軍成縱深梯次配置，其任務是阻擊突破西方方面軍的德軍；葉廖緬科指揮的布良斯克方面軍，其任務是阻止德軍對布良斯克的突破。蘇軍的企圖是：阻止德軍進攻，殲滅和消耗德軍，爭取時間集中預備隊，為反攻創造條件。
1941年9月30日，南路古德里安的第2裝甲軍團首先拉開了「颱風」行動的序幕，當天就撕開了蘇布良斯克方面軍的防線，向前推進50多英里。10月2日，中路和北路主力從南北兩面發動對蘇西方方面軍的攻擊，並衝垮蘇軍防線。隨後，古德里安攻佔了奧廖爾，並指揮其第47裝甲軍北上，向布良斯克進攻。10月4日，霍特的第3裝甲兵團和赫普納的第4裝甲兵團分別從北面和南面向維亞茲馬進逼。10月6日，古德里安的第2裝甲師佔領了布良斯克。10月7日，霍特和赫普納兩隻裝甲兵團在維亞茲馬會師，蘇西方方面軍和預備方面軍一部被包圍。10月8日，魏克斯的第2集團軍和古德里安的裝甲部隊也包圍了蘇布良斯克方面軍。中央集團軍群司令部下令各路德軍立即對這兩個包圍圈內的蘇軍進行清剿，並繼續向莫斯科進軍。10月10日，斯大林將衝出德軍重圍的西方方面軍和預備方面軍殘部合併組成的新的西方方面軍，並任命朱可夫為司令員，全面負責莫斯科防禦戰的指揮。10月13日，赫普納的第4裝甲兵團向莫斯科西南方的卡盧加（距莫斯科100英里）突擊，蘇軍防線被衝破，朱可夫被迫放棄該城。同時，霍特的第3裝甲兵團攻佔了莫斯科西北方的加里寧（距莫斯科98英里）。14日，德陸軍總部下達命令，要求中央集團軍群各路軍團從南、北、西三面包圍莫斯科，並拒絕任何有條件的投降。18日，德軍突進到距莫斯科只有60英里的莫扎伊斯克。10月20日，德軍完成了對維亞茲馬和布良斯克這兩個包圍圈內蘇軍的清剿，蘇軍66.3萬人被俘，損失坦克1242輛、大炮和迫擊炮5412門。「颱風」行動初戰告捷。
雖然對維亞茲馬和布良斯克的包圍消滅了大量的蘇軍有生力量，但天氣變壞使得德軍的攻勢銳減。當德軍前鋒裝甲部隊進到莫扎伊斯克時，天已開始下雨了，道路變成了泥河。坦克走不多遠就陷入泥潭中，簡直無法前進。南路古德里安的第2裝甲軍團困在奧廖爾到圖拉之間的公路上達幾天之久，一切補給只好依賴空運。德軍於是被迫全線停止前進，以待大地封凍，這給了蘇軍寶貴的喘息時間。在確認日本武裝力量將全力南攻而無意對蘇作戰後，斯大林又將部署在西伯利亞與日本關東軍對峙的25個步兵師和9個裝甲旅的精銳部隊陸續西調到了莫斯科近郊支援。
蘇軍漸漸地從維亞茲馬和布良斯克所蒙受的慘重損失中恢複過來。天氣越來越冷，由於沒有冬季服裝，德軍開始出現嚴重的凍傷。然而，遠離前線的德軍最高統帥部卻又開始策劃新的攻勢。11月13日，德陸軍總參謀長哈德爾集中了51個師，並下達了「1941年秋季攻勢命令」。擔任正面攻擊任務的是克魯格的第4集團軍；其左面是霍特的第3裝甲兵團和赫普納的第4裝甲兵團，其任務是分別從北方和西方包圍莫斯科；右面的古德里安的第2裝甲軍團則從南方向莫斯科包圍。
11月16日，「秋季攻勢」開始發動，霍特的第3裝甲兵團慢慢地向莫斯科西北方向前進，不久突破了莫斯科伏爾加運河，到達距莫斯科只有24公里的伊斯特臘鎮。右面赫普納的第4裝甲兵團進到了莫斯科以西的齊維特科瓦。同時，南面古德里安的第2裝甲軍團包圍了莫斯科東南方的圖拉。雙方展開了激烈的突擊與反突擊戰。越來越多的蘇軍西伯利亞精銳師源源不斷地補充到蘇聯守軍的隊伍中。11月27日，氣溫驟降了20度，一下子跌到了零下40攝氏度。寒冷成為德軍最大的敵人，數以千計的人員被凍傷，不少人被凍死，機器停轉、武器失靈。
12月1日，包克揮其疲憊之師，再次發起攻勢以作最後的努力，德軍在各個方向的進攻都被可怕的嚴寒和蘇軍頑強的抵抗阻止了。12月4日，當氣溫降至零下52攝氏度時，德軍再也不能有效作戰了。12月5日，斯大林下令蘇軍實施自開戰以來的首次大規模反攻。到12日，各路德軍戰線被蘇軍迅速突破。15日，蘇聯政府機構遷回莫斯科。此時，希特勒為了避免重蹈1812年拿破崙的覆轍，他要求德軍向後方運動而不是全線撤退，將原前進的補給線都變成抵抗據點。