11月7日，虽然德军兵临城下，斯大林仍然在莫斯科红场举行了传统的10月革命节庆祝大会和阅兵式，全副武装的苏军部队从检阅台前庄严地经过，然后士气高昂地直接开赴前线。
11月13日，德陆军总参谋长哈德尔在中央集团军群总部召开了各军团参谋长会议，下达了“1941年秋季攻势命令”。中央集团军群为此共集中了51个师。担任正面攻击任务的是克鲁格的第4集团军；其左面是霍特的第3装甲兵团和赫普纳的第4装甲兵团，其任务是分别从北方和西方包围莫斯科；右面的古德里安的第2装甲军团则从南方向莫斯科包围。
11月16日，“秋季攻势”开始发动，霍特的第3装甲兵团慢慢地向莫斯科西北方向前进，23日占领了克林，28日突破莫斯科——伏尔加运河，到达伊斯特腊镇，这距莫斯科只有24公里，霍特从他的望眼镜里已能看见克里姆林宫的圆顶。在霍特兵团右面，赫普纳的第4装甲兵团进到了莫斯科以西的齐维特科瓦。同时，南面古德里安的第2装甲军团包围了莫斯科东南方的图拉。
然而，担任正面攻击的克鲁格的第4集团军却受到了苏军强大抵抗。由于朱可夫将精锐部队都用在这个方向上，第4集团军的突击一开始就进展不快。22日，中央集团军群司令包克元帅亲自上阵指挥第4集团军作战，他把一切可抽调的兵力都投入了战斗，照他自己所说：“当最后一营兵力投入之后，也许就可以决定胜负。”但当包克以为苏军师团已被其全歼而苏军预备队也已用完的时侯，越来越多的苏军西伯利亚精锐师却源源不断地出现在他面前。尽管包克拼了老命，第4集团军每前进一步都异常困难。包克已经害怕这次会战将变成第二次“凡尔登会战”，即激烈的消耗战。
在南面，古德里安贾其余勇，指挥第2装甲军团徐徐地向前推进，企图绕过久攻不下的图拉迂回莫斯科。
11月27日，气温在两小时内骤然下降了20度，一下子跌到了零下40摄氏度。大部分德军身无御寒之衣，数以千计的人员被冻伤，数以百计的人员被冻死。可怕的严寒不仅摧残士兵的身体，而且还使机器停转、武器失灵。与德军形成鲜明对比的是，来自西伯利亚的苏军有着充分的冬季作战装备，苏军新型坦克T-34、T-35在严寒下仍能照常发动。
苏军最高统帅部认为转入反攻的时机到了。斯大林任命华西列夫斯基中将担任代理总参谋长，并命令他立即拟定反攻作战计划。
12月1日，包克挥其疲惫之师，再次发起攻势以作最后的努力。德军虽取得一些进展，但终被莫斯科周围坚强的防御所阻止。12月2日，小股德军透过苏军防线，冲入莫斯科近郊。但莫斯科的工人们从工厂冲出来，用他们的工具同德军搏斗。夜间，在遭受惨重损失后，这小股德军被苏军赶回了他们原来的阵地。此时，德军在各个方向的进攻都被可怕的严寒和苏军顽强的抵抗阻止了。虽然莫斯科近在眼前，也已处于他们的炮火射程之内，但他们已经精疲力尽，锐气丧尽。
12月4日，当气温降至零下52摄氏度时，德军再也不能作战了。古德里安怀着一颗沉重的心，他决定先撤退了。这是他那支所向无敌的装甲兵团自从踏平波兰以来的第一次撤退。而苏军已做好准备，将对疲惫不堪冻德半死的德军发起强大的反攻。
12月5日，斯大林下令苏军实施自开战以来的首次大规模反攻。科涅夫指挥的加里宁方面军率先对北路德军发起反击，两天后收复克林。6日，朱可夫指挥西方方面军向中路和南路德军发起了强大反攻。到12日，各路德军战线被苏军迅速突破。15日，苏联政府机构迁回莫斯科。
12月19日，希特勒免去了陆军总司令勃劳希契的职务，自己亲自兼任陆军总司令。他发布命令说：“每一个人应站在其现在位置上打回去。当后方没有既设阵地时，绝对不许后退”。虽然德军将领都一再要求撤退，而且古德里安和赫普纳都因擅自撤退而被免职，可是希特勒却认为万万不可以退却，否则就会重蹈拿破仑的覆辙。虽然是由于他的固执，才会使这个战役走到了惨败的边缘，可是也因为他的固执，才使他不曾跳入这个深渊。毫无疑问的，因为他不肯撤出苏联或是斯莫棱斯克以东的地区，才使他的大军避免了一个比1812年还更可怕的浩劫。希特勒的计划与拿破伦不同，不是全线撤退而是向后方运动，将原前进的补给线都变成了抵抗据点，
到12月底，在莫斯科西南方向，苏军收复了卡卢加。在西北方向，加里宁也被苏军收复。东南方向，苏军解出了德军对图拉的包围。莫斯科会战结束，苏军取得了苏德战争爆发以来的第一次大胜利。德军损失人员50余万，坦克1300余辆，火炮2500门。德军不得不改“闪击战”为持久战。
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