德國統帥部在獲得庫爾斯克會戰的勝利之後就開始著手準備對蘇聯發動最猛烈的一擊，攻擊目標就是蘇聯的首都，莫斯科！
曼施坦因將軍因為在庫爾斯克會戰中的卓越表現，被希特勒授予元帥軍銜，擔任中央集團軍群的總司令官，全面指揮莫斯科戰役。上任伊始，曼施坦因沒有急於制訂作戰計畫，而是利用俄羅斯的嚴冬休整部隊，補充給養，然後與參謀部的幕僚們一起埋頭研究起第一莫斯科戰役失敗的資料，希望從中得到新的啟發。
中央集團軍群參謀部經過一個多月的研究、討論，終於總結出了第一莫斯科戰役失敗的原因：第一，單位面積作戰力密度不足。中央集團軍群在發起莫斯科戰役的時候，總兵力為180萬人，坦克1700輛，火炮和迫擊炮1.4萬餘門，飛機1390架，由於戰場的面積巨大，平均下來的話，每平方公里內的德軍人數、坦克數量、飛機數量僅僅是法國戰役的三分之一；第二，後勤保障能力嚴重不足。德軍在入侵蘇聯之後，雖然佔領了大量的鐵路線，但是繳獲的機車數量太少，由於蘇聯鐵路採用的是寬軌道，而不是歐洲的標準軌道，使德國的機車無法在蘇聯使用，同時，蘇聯惡劣的天氣狀況使公路的運輸相當困難，致使大部分的裝甲師和摩托化步兵師因為缺少油料而無法全部投入戰鬥，浪費了寶貴的戰鬥力；第三，發起戰役的時間太晚。發起莫斯科戰役的時候已經是九月份，距離俄羅斯嚴冬的到來只有不到兩個月的時間，使部隊不能按部就班地進行攻擊；第四，低估了蘇聯紅軍的戰鬥力和決死戰鬥的意志。第五，德軍前線指揮官當中缺乏能夠對快速變化的戰場局勢做出快速反應的戰術天才。
曼施坦因的參謀部根據當前的戰場態勢，制定了一份針對性很強得非常完善的作戰計畫：第一，由曼施坦因元帥親自向希特勒和統帥部請求大量增加兵力和武器，在44年5月底的時候，已經集結了260萬人，坦克2300輛，各種火炮2.2萬餘門，飛機2000架；第二，由德國軍需部門緊急生產了一批寬軌機車運送到蘇聯前線，從而保證了鐵路運輸效率，同時全力搶修、加固公路和橋樑，使作戰物資能夠暢通無阻地輸送到前線；第三，戰役的發起時間定在6月初，使攻擊部隊有充足的時間掃清莫斯科外圍的據點，然後再向市區突進；第四，告誡各級指揮官不可輕敵，準備打一場和斯大林格勒戰役類似的城市攻堅戰，過程可能曠日持久，而且必將慘烈無比！因為莫斯科是蘇聯的首都，蘇聯人已經無路可退！第五，將非洲軍團指揮官隆美爾調到坦克第二集團軍擔任指揮官，同時把古德里安調到坦克第三集團軍擔任指揮官。
為了保證戰役的順利進行，德國統帥部為中央集團軍群大開方便之門，命令本土的後勤部門全力支援，使曼施坦因在開戰之前成功地儲備了可供部隊使用五個月的油料，三個月的武器彈藥；十萬輛軍用卡車和一百五十列火車專門為中央集團軍群提供後勤支援。德軍參戰部隊普遍齊裝滿員，士氣高漲，對獲得最終的勝利充滿了信心。
在德軍緊鑼密鼓地進行戰役準備的時候，蘇聯統帥部在斯大林的領導下，也全力以赴地準備迎戰德軍。
庫爾斯克會戰失敗之後，蘇聯統帥部就推斷出德軍的下一個攻擊目標肯定是莫斯科，於是迅速徵集了五十萬民民工在莫斯科地區急如星火地構築工事。第一道防線北起瓦爾代山不遠，中間穿過維亞茲馬以西地區，抵達最南端的基洛夫，全長三百公里；第二道防線，在莫斯科以西一百二十公里處，從沃洛科拉姆斯克到提赫文，長約兩百五十公里；第三道防線是由莫斯科近郊的四道弧形防線組成。此外，莫斯科市區內也開始修建碉堡、街壘和火力點，蘇聯統帥部準備在這裡與德軍進行最後的決戰，使德軍重蹈斯大林格勒慘敗的覆轍。
在全力搶修工事的同時，蘇聯統帥部在蘇聯全境發布動員令，十六歲至六十歲之間的男子，只要沒有殘疾，全部到新兵徵集處報到，同時把遠東地區的邊防部隊悉數調回莫斯科，在戰役開始之前，蘇聯勉強拼湊出140萬人，坦克800輛，火炮和迫擊炮8000門，飛機700架。
斯大林為了贏得更多的時間來積聚力量，經過與其他蘇聯領導人秘密磋商之後，通過原德國駐蘇聯大使舒倫堡向希特勒提出停戰要求，表示願意讓出波羅的海，白俄羅斯，烏克蘭的部分土地德國，並賠償德國軍費五十億盧布。
然而，蘇聯同意出讓的地區幾乎全部在德軍的控制下，勝券在握的希特勒斷然拒絕了蘇方的建議，如此一來，就把斯大林和蘇聯政府逼到了絕路上。
1944年5月30日，希特勒親自飛抵中央集團軍群的司令部所在地庫爾斯克，為參戰部隊鼓舞士氣。
1944年6月4日凌晨四點半鐘，德軍中央集團軍群發起了同樣代號為『颱風』的計畫，向莫斯科外圍的紅軍陣地發起全面攻擊。
德國空軍出動了一千兩百架戰鬥轟炸機，對蘇聯紅軍的前線陣地和縱深的交通線進行了猛烈的空襲，掀開了莫斯科戰役的序幕，緊接著，德國炮兵群開始了長達三個小時的炮火準備，一時間，地動山搖，聲震雲霄，長達數百公里的戰線上到處是熊熊的烈火和濃濃的硝煙。
炮擊向紅軍陣地縱深延伸之後，德國中央集團軍群從西、南兩個方向發起強攻，西路軍的指揮官是古德里安，南路軍指揮官是隆美爾。
開戰之後的十天時間裡，德軍採用步兵正面強攻鉗制和側翼突擊來牽制守軍，機動性強的裝甲部隊則在強大的空軍掩護下，進行大範圍的迂迴包抄，連續突破莫斯科外圍的兩道防線，逼近莫斯科近郊，保衛莫斯科外圍工事的七十多萬軍隊大部分遭到德軍的合圍，只有不到十萬人突圍而出，進入莫斯科市區。
6月18日，隆美爾率領的第二坦克集團軍佔領圖拉之後，立即馬不停蹄地向莫斯科南部郊區進軍。隆美爾根據自己在非洲的城市攻堅戰中獲得經驗，首先投入三個步兵師先行突破，而後投入坦克師擴大戰果，從而避免了密集坦克編隊來在突擊蘇軍縱深防禦體系時的大量傷亡。
由於第一次莫斯科戰役當中，德軍裝甲部隊指揮官採用的戰術與隆美爾截然不同，故而守軍仍然按照以前的經驗在一線陣地部署了大量的反坦克武器，結果被隆美爾打得措手不及，在兩天之內就突入市區兩公里，斯大林連續投入了五個步兵師和三個民兵師才將德軍擊退了數百米，暫時遏制住德軍的攻勢。
隆美爾當即改變戰術，把坦克分成小隊，在步兵戰鬥小組的配合下進行大膽的穿插，同時請求空軍全力支援地面戰鬥。
德軍的攻勢越來越猛，而蘇聯紅軍的反擊也越來越強烈，苦苦堅守著城中的每一條大街、每一條小巷、每一棟樓房、甚至每一堵廢墟，迫使德軍只能一寸一寸向前推進，攻擊部隊往往上去半天就傷亡過半，只好不斷輪換；蘇聯統帥部在激烈戰鬥的同時組建新的民兵師，工人和市民們從軍官手中接過衝鋒槍和彈匣就開往前線，連最基本的射擊訓練都沒有時間完成，這些部隊完全是依靠滿腔的愛國熱情來戰鬥，所以傷亡特別大，一個師能生還一千人已經是萬幸！
在國家面臨生死存亡的關鍵時刻，蘇聯軍民表現出忘我的犧牲精神，義無反顧地投入保衛莫斯科的戰鬥當中，用自己的熱血和生命來阻擋德軍前進的步伐——二十天的戰鬥之後，被德軍殲滅的蘇聯軍隊總數已經達到八十萬，按照德軍戰前掌握的情報，城內最多還有六十萬守軍，但是實際上，莫斯科城內卻依然有近百萬軍隊在繼續戰鬥，其中的絕大多數都是在戰火中磨練出來的民兵師！
6月25日，古德里安的西路軍也推進到莫斯科西郊，守軍的壓力頓時倍增，蘇聯統帥部只得投入了全部的預備隊，並把蘇聯中東部地區臨時徵召的民兵師通過鐵路源源不斷地輸送到這個巨大的絞肉機裡面。
曼施坦因元帥沒有被蘇聯軍隊的激烈抵抗和攻擊部隊的巨大犧牲所嚇倒，毫不猶豫地連續投入預備隊，始終對守軍保持著巨大的壓力。
7月15日，經過二十多天的激烈巷戰之後，擁有兵力和火力優勢，以質量取勝的德國軍隊終於將守軍全部趕出了莫斯科市區，贏得了莫斯科戰役的勝利。此戰，德軍共損失了四十五萬軍隊，八百餘輛坦克，火炮三千餘門，飛機四百餘架；蘇軍共損失了一百萬軍隊，五百輛坦克，火炮四千餘門，飛機三百餘架。
希特勒認為，佔領了蘇聯首都莫斯科，不但意味著在政治上和經濟上的決定性勝利，而且使蘇聯喪失了最重要的鐵路樞紐，這樣一來，蘇聯紅軍就失去了繼續戰鬥基礎，只有接受投降的命運。然而，出乎希特勒和德國統帥部預料的是，蘇聯軍隊並沒有投降，而是在第聶伯河和北德維納河東岸建立了防禦陣地，擺出一副持久戰鬥的架勢！