「颱風行動」計畫
1941年8月上旬，德軍攻佔斯摩棱斯克，這是通往莫斯科路上的一個重要據點，但斯摩棱斯克以外的戰鬥持續到9月上旬，阻礙了德軍的攻勢，有效地瓦解了閃電戰戰術。其後，古德里安的裝甲部隊到達莫斯科外圍，但希特勒命令他轉向南方去支持龍德施泰特指揮的南方集團軍群對基輔的攻擊。
由於德軍的「巴巴羅薩」作戰計畫中預定目標未能實現，為此，德軍統帥部在1941年9月29日，又制訂了「颱風行動」作戰計畫，要在10天內拿下莫斯科。9月底，德軍集結部隊，做好了「颱風行動」的攻勢準備。
1941年10月2日，包克指揮的中央集團軍群終於向莫斯科發動攻擊。德軍認為莫斯科在政治和軍事戰略上具有重要意義。德軍計畫以各坦克集團實施突擊，割裂蘇軍防禦，並在維亞濟馬、布良斯克兩地域合圍殲滅西方面軍、預備隊方面軍和布良斯克方面軍，然後以強大、快速集群，從北面和南面包圍莫斯科，在步兵兵團實施正面進攻的同時，攻佔蘇聯首都。
根據「颱風行動」計畫，德軍第2裝甲集群9月30日在布良斯克方向，第3、第4裝甲集群10月2日在維亞濟馬方向，相繼開始進攻。儘管蘇軍頑強抵抗，德軍仍突破了其防禦。德軍第2集團軍突破了蘇軍第50集團軍的防線，於1941年9月下旬奪取布良斯克。10月3日奧廖爾陷落，德軍沿著奧廖爾-圖拉公路推進。莫斯科以西的維亞濟馬方向，西方面軍和預備隊方面軍，進行了艱苦的防禦戰鬥。德軍10月7日進抵維亞濟馬地域，蘇軍兩方面軍大部分軍隊在此陷入合圍，一直頑強抵抗到10月13日。維亞濟馬守軍大部被殲，一部後來突出重圍。布良斯克方面軍陷於合圍後也開始向後退卻，至23日大部被殲。德軍在維亞濟馬-布良斯克戰役中，俘虜蘇軍67萬人。這是基輔會戰之後，德軍又一次輝煌的勝利。
自此，蘇軍莫扎伊斯克防線成了接近莫斯科的主要抵抗地區，駐守的4個集團軍總共只有9萬人，這些兵力不足以在整個地帶建立堅固防禦。為了改進軍隊指揮，西方面軍和預備隊方面軍於10月10日合編為西方面軍，朱可夫大將任司令。10月中至11月初，在莫扎伊斯克防禦地區展開多次激烈戰鬥，蘇軍對德軍的優勢兵力進行了頑強抵抗，阻止了德軍的攻勢。
10月14日，德軍突入加里寧地域。10月17日，蘇軍以西方面軍右翼為基礎組成了加里寧方面軍，由科涅夫上將指揮。德軍想從加里寧向東南進攻並包抄西北方面軍和西方面軍後方的企圖被粉碎。
德軍雖然在維亞濟馬—布良斯克戰役中，消滅了大量蘇軍有生力量，但隨著天氣的變冷，秋雨把道路變成泥沼，這幾乎使德軍的進攻癱瘓。
德軍被迫全線停止前進，以待大地封凍。德軍暫時的停進，使蘇軍贏得了寶貴的喘息之機。到10月底，蘇軍最高統帥部開始抽回一些部隊作為預備隊，使其得到必要的休息，新的預備隊也在源源不斷地趕到。10月末，戰線分布在加里寧-庫賓卡-謝爾普霍夫-阿列克辛-圖拉。德軍雖遭重大損失，但仍增調兵力，變更部署，企圖在冬季到來前合圍並佔領莫斯科。
1941年冬季，就算以俄國人的標準來看都異常寒冷。德軍因戰線過長，補給不足，在戰鬥中消耗過大，既沒有設防禦陣地和戰役預備隊，又無在冬季條件下作戰的準備，11月上旬入冬，雖然道路能夠使用，但由於德軍認為在入冬前就能結束戰事，德軍的冬季裝備不足，平均5人一件棉衣，坦克和其他車輛都因低溫而不能動彈。德軍士氣嚴重受挫，蘇軍士氣則有所恢複。
莫斯科疏散了許多政府機關和最重要的企業。10月20日，國防委員會在莫斯科及其附近地域實行戒嚴。當局命令居民在街道築起防禦工事，連克里姆林宮附近都不例外，並且組建了新的民兵師，使全城做好巷戰準備。蘇聯政府向東撤退到古比雪夫（現在的薩馬拉），但斯大林仍留在莫斯科。
為了提振國民及軍隊士氣，斯大林命令11月7日在紅場照常舉行紀念十月革命的閱兵式。隊伍在克里姆林宮前檢閱，然後直接開赴前線。蘇軍以預備隊和補充兵員加強了西方面軍。11月10日，布良斯克方面軍撤銷。各方面軍受領命令扼守所屬地區，阻止德軍從西北和西南方向迂迴靠近莫斯科。
蘇聯官方拍攝的二戰影視作品中，在德軍逼近莫斯科之際，全城百姓同仇敵愾，無數志願者加入戰鬥，自發起來保衛家園。但事實上，在莫斯科保衛戰初期，很多官員和百姓還是選擇了棄城逃跑。
1941年10月16日，蘇聯國防委員會通過了《關於疏散蘇聯首都居民》的決議。很多人將其理解為，莫斯科城不久將被拱手送給德國人。城內很快亂成一團，地鐵關閉，有軌電車停運。一些蘇共官員首先逃離出城，據記載：「第一天便有779名領導幹部逃出首都，隨身攜帶有價值2500萬盧布的金錢和貴重物品，他們還動用了100輛轎車和貨車運送家屬。」看到領導們都逃了，普通市民們也收拾細軟，想辦法出城。接連三天，出城的公路上人滿為患。但到了10月20日，莫斯科城進入被圍狀態之後，人員大量外逃現象便不復存在。
11月15～18日，德軍經過調整和補充後，向莫斯科重新發起進攻。德軍在加里寧沿克林、羅加切沃方向和圖拉方向分別實施主要突擊，企圖從北面和南面迂迴至莫斯科。11月底至12月初，德軍在付出巨大代價後前出到莫斯科運河。12月4日加里寧失守。12月5日莫斯科以南165公里的小鎮圖拉被局部包圍，但德軍遇到了蘇軍的頑強抵抗，莫斯科附近的戰鬥變得異常激烈。蘇軍派了無數新兵和志願者，甚至把一個婦女營投入到了德軍的機槍與炮火中。
在莫斯科保衛戰中，蘇軍的一個戰鬥小組表現得尤為英勇，他們守衛在距離莫斯科200公里的一個公路路口，在與德軍鏖戰4個小時之後，擊毀德軍18輛坦克，擊斃德軍數十人，自己也只剩28人，指導員克羅奇科夫為激勵戰士，說出了「俄國雖大，但已無路可退，身後就是莫斯科」的話，最後28名勇士彈盡糧絕，全部犧牲，克羅奇科夫抱著一捆手榴彈撲向德軍，炸毀了一輛德軍坦克。蘇軍經過11月底至12月初的頑強防禦和多次反突擊，德軍突擊莫斯科的企圖破產。蘇軍雖然經常處在危急狀態，但終於堅持下來並消耗了德軍。僅11月16日至12月5日，德軍在莫斯科附近就死傷15.5萬餘人，損失坦克約800輛、火炮300門、飛機近1500架。
這時，蘇軍轉入反攻並粉碎莫斯科城下德軍的條件已經具備。斯大林任命華西列夫斯基中將代理總參謀長，並命令他立即擬定反攻作戰計畫。蘇軍反攻的指導思想是：同時粉碎德軍中央集團軍群和從北面、南面威脅莫斯科的最危險的突擊集團。反攻的基本任務賦予了西方面軍。加里寧方面軍和西南方面軍分別在其北面和南面實施突擊。
1941年12月5日，朱可夫帶領蘇軍發動大規模反擊，最主要的攻勢集中向德軍中央集團軍群。12月6日，蘇軍攻勢在莫斯科地區全面展開。此時德軍進攻能力已經衰竭。在秋季，朱可夫從西伯利亞和遠東地區，調回了一些裝備精良的部隊到莫斯科，一直留待反擊之用。這次，斯大林相信了蘇聯間諜佐爾格的情報：日本不會攻擊蘇聯遠東地區。此時德軍已經非常接近莫斯科中心，朱可夫投入大量援軍以對抗德軍的攻勢。蘇軍部隊已經為冬季戰事做好了準備，包括多個滑雪營。
12月8日，希特勒簽署了在蘇德戰場全線，包括莫斯科方向轉入防禦的訓令。12月16日，蘇軍收復了圖拉。1942年1月7日奪回了莫斯科以北的加里寧。1月初，西部戰略方向的反攻完成。精疲力竭的德軍撤退到100～250公里外。德軍的38個師，有15個坦克師和摩托化師遭重創。進攻莫斯科的突擊集團被擊潰，德軍驚慌失措，希特勒要求死守每一個據點，一步也不後退，直到最後一兵一卒。
由於蘇軍缺乏實施大規模進攻的經驗，以及缺少快速兵團，因而未能全部完成圍殲中央集團軍群基本兵力的任務。2月初，來自西歐的德軍增援部隊（12個師又2個旅）和中央集團軍群北翼部隊，分別實施了反突擊，蘇軍的態勢惡化。4月20日，蘇軍最高統帥部命令西方面軍部隊轉入防禦、撤回外線作戰部隊，會戰至此結束。
莫斯科保衛戰，使納粹德國企圖快速征服蘇聯的計畫破產，打破了德國陸軍不可戰勝的神話，使其遭到了無法彌補的物質損失。接下來，蘇德這兩頭令人恐怖的猛獸，互相瞪著眼睛，揮著爪子，張著血盆大口，開始了3年多的拉鋸對峙。