發起戰爭
根據“颱風”計劃，德軍第2裝甲集羣在布良斯克方向，第3、第4裝甲集羣1在維亞濟馬方向，相繼開始了進攻。儘管蘇聯紅軍進行了頑強抵抗，德軍仍然突破了防禦。德軍第2集團軍突破了蘇聯紅軍第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。德軍沿着奧廖爾-圖拉 的公路推進。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日則進抵維亞濟馬地域，兩方面軍大部分軍隊在此陷入合圍，一直頑強抵抗到10月12-13日。13日，蘇聯紅軍維亞濟馬集團大部被殲，被圍軍隊一部後來突出重圍，有的留在敵後開展遊擊鬥爭。布良斯克方面軍陷於戰役合圍的困境後也向後退卻，23日，蘇聯紅軍布良斯克集團大部被殲。德軍在維亞濟馬—布良斯克戰役中、俘虜蘇聯紅軍58萬人。而這58萬人中只有85000人突出德軍防線。
但實際上，由於希特勒堅持中央集團軍在佔領斯摩棱斯克 後向北圍攻列寧格勒，向南進攻烏克蘭，導致了德軍在1941年9月30日才放下手來將目標瞄準莫斯科，這實際上爲蘇聯鞏固莫斯科附近的防線贏得了時間。
在十月中旬，德國中央集團軍結束了對維亞濟馬一線的蘇聯紅軍的圍殲，此時朱可夫有抽調了一批新部隊，前往莫斯科。這時，秋雨季節開始了;泥濘的道路給兩軍都帶了不便，它在阻礙德軍進攻的同時也妨礙了蘇聯紅軍的防守，雙方的許多作戰車輛都陷入泥濘中了，還有部分車輛需要坦克拉出。(並不是某些資料說在十月初期下了大雪)
頑強抵抗
莫扎伊斯克防禦線成了莫斯科接近地上的主要抵抗地區，蘇聯最高統帥部採取了各種緊急措施來保衛首都。10月9日，莫扎伊斯克防線指揮部獲得了新組建的5個機槍營、10個反坦克炮兵團和5個坦克旅，這些部隊被重新編成了第5集團軍，由列柳申科將軍指揮。
爲了改進軍隊指揮，10月17日，西方面軍和預備隊方面軍合編爲新的西方面軍，朱可夫大將任司令員。同日，根據朱可夫的建議，在西北方向上掩護莫斯科的西方面軍右翼部隊第22，29，30，31集團軍組建爲加裏寧方面軍，由科涅夫上將出任司令員，方面軍的指揮機關則在原第10集團軍司令部的基礎上改建而成。
朱可夫受命之後，着手在沃洛科拉姆斯克——莫扎伊斯克——小雅羅斯拉韋茨——卡盧加一線建立新的防線，並組建第二梯隊和方面軍預備隊。並想方設法抽調了14個步兵師、16個坦克旅和40多個炮兵團，迅速重建了第5、16、43、49四個集團軍，但總兵力依然只有9萬餘人。他還特別注意將富有作戰經驗的將領派到莫斯科的各主要方向上去。其中，羅科索夫斯基的第16集團軍開往沃洛科拉姆斯克，列柳申科的第5集團軍在莫扎伊斯克，葉菲列莫夫的第33集團軍在納羅福明斯克方向，43集團軍在小雅羅斯拉韋茨，49集團軍在卡盧加等地展開防禦。
莫斯科市民也被動員起來。在3天之內，組織了25個工人營，12萬人的民兵師，169個巷戰小組，發動60萬人圍繞莫斯科城修築起三道防禦工事，其中婦女的數量佔了四分之三。 到10月末，僅婦女兒童就構築了700公里反坦克塹壕，挖掘了300多萬立方米的泥土，修築了3800餘個臨時和固定火力點。處於防禦狀態的莫斯科城，被街壘、路壘、工事嚴密地封鎖起來，食品因此嚴重短缺。
10月中-11月初，在莫扎伊斯克防禦地區展開的多次激烈戰鬥中，蘇聯紅軍對德軍優勢兵力進行了頑強抵抗，將其阻止於拉馬河、魯扎河、納拉河等地區。莫斯科疏散許多政府機關和最重要的企業;1941年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，組建新的民兵師，使全城做好巷戰準備。
10月23日，葉廖緬科上將指揮的布良斯克方面軍剩餘部隊突出重圍，但古德里安的坦克集團依然緊追不捨，並於29日逼近莫斯科左翼重要軍工城市——圖拉。由於第50集團軍的紅軍戰士和圖拉民兵的堅守，德軍始終無法突破圖拉防線，這使得德軍的右翼大大延長，導致其在戰線中部無法以足夠的戰術密度作戰。
11月初，莫斯科蘇聯紅軍又得到了10萬人，300輛坦克，2000門火炮的補充。
1941年11月7日十月革命24週年閱兵式。當時納粹德國軍隊已經到達，爲了提升國民及軍隊的士氣，斯大林在命令在1941年11月7日在紅場 舉行閱兵典禮並發表著名演說，他說道：“我們的國家正在遭到入侵，全體蘇維埃公民和軍隊都要不息用盡每一滴鮮血來保衛蘇維埃土地和村莊”。當天蘇聯所有廣播站都播放了這次演講。而原本是在11月7日10點準時閱兵，但在後來提前至1941年11月7日的8點10分。這一次閱兵是有巨大意義的，蘇聯向全世界表明了戰鬥到底的決心。蘇軍隊伍在克里姆林宮 前檢閱，然後直接開赴前線。蘇聯紅軍以預備隊和補充兵員加強了西方面軍。布良斯克方面軍撤銷。各方面軍受領命令扼守所佔領的地區，阻止德軍從西北和西南迂迴莫斯科。
再次進攻
十一月後，莫斯科地面的積雪近1米厚，爲了不被德國空軍發現，部隊延最短的路徑開路，而開路工具也是最簡單的，是馬拉壓路機，並設置了分流點，道路兩旁豎起了2-3米高的雪堆，還將汽車漆成白色，這樣便很難讓高空偵察機發現。
11月13日，德陸軍總參謀長哈德爾在中央集團軍羣總部召開了各軍團參謀長會議，下達了“1941年秋季攻勢命令”。中央集團軍羣爲此共集中了51個師。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裝甲集團軍和霍普納的第4裝甲集團軍，其任務是分別從北方和西方包圍莫斯科;於是德軍第三，第四裝甲集羣重新部署在靠近加裏寧和沃洛科拉姆斯克的北線;他們的部隊繞開伊斯特拉水庫，佔領了克林和索爾涅奇諾戈爾斯克。右面的古德里安的第2裝甲軍團則從南方向莫斯科包圍，他們突破了圖拉防線，但被一支蘇聯紅軍中隊拖了幾個小時。
蘇聯紅軍經過11月底-12月初的頑強防禦和多次反突擊，德軍突向莫斯科的最後企圖破產了。蘇聯紅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1941年11月16日到12月5日這段時間內，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。
據說，霍普納推進了工程營摩托車兵，在1941年11月30日衝進一個距離莫斯科中心只有8公里的郊區，關於這件事，有一種說法是摩托車兵全部陣亡，另一種是說他們很快都撤退了。
1941年-1942年的冬季就算以俄國人的標準來看都異常地嚴寒。德軍因戰線過長，補給不足，戰役中消耗過大，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，但德軍的冬季裝備不足，由於認爲在入冬前就能結束戰事。保暖衣服和白色僞裝服都不足，坦克和其它車輛都因爲低溫而不能動彈。而蘇聯紅軍則士氣高漲。
對莫斯科的蘇聯紅軍而言，情形則恰好相反。來自西伯利亞的蘇聯紅軍早已習慣了寒帶生活，有着足夠的冬季作戰裝備，他們的槍炮套上了保暖套，塗上了防凍潤滑油;有足夠的棉衣、皮靴和護耳冬帽用來防寒。
到了1941年11月29日，德軍已成強弩之末，在各個方向上的進攻都已被遏制。此時朱可夫要求斯大林將預備隊第10集團軍，第20集團軍和第1突擊集團軍轉隸給西方面軍。此時，蘇軍的實力是，總兵力110萬人，7652門火炮，774輛坦克，1000餘架飛機。德軍共有170萬人，13500門火炮，1170輛坦克，615架飛機。雖然德軍兵力要多於蘇軍，但由於其戰線過長，兵力分散，戰線並不穩固。
蘇聯紅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 中將擔任代理總參謀長，並命令他立即擬定反攻作戰計劃。蘇聯紅軍反攻的指導思想是，同時粉碎德軍“中央”集團軍羣分別從北面和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。加裏寧方面軍和西南方面軍分別在其北面和南面實施突擊。
蘇聯紅軍反擊
1941年11月29日，朱可夫 致電斯大林下達反擊命令，當晚，斯大林下達反突擊的命令。
但這沒有引起德國的注意。1941年12月4日，德國中央集團軍羣根據所獲情報得出結論：蘇聯沒有能力發起一場大規模的反擊行動。
到了1941年12月5日，加裏寧方面軍 的第30集團軍首先轉入反攻，此時德軍進攻能力顯然已經衰竭。德軍裝甲集羣側翼遭到強烈打擊，進攻的蘇聯紅軍迫使他們向克林方向撤退。
12月6日，西方面軍在南北兩個方向上對德軍發動反擊，德軍部隊在氣候和蘇軍的雙重夾擊下，被從莫斯科附近擊退。
1941年12月6日晚上，在圖拉 的古德里安部決定退回原來的防線。
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9日，蘇聯紅軍解放了羅加切沃，11日解放了伊斯特拉 ，12日解放了索爾涅奇諾戈爾斯克 ，15日解放了克林 ，16日解放了加裏寧 ，20日解放了沃洛科拉姆斯克 。
12月19日，希特勒免去了陸軍總司令勃勞希契 的職務，自己親自兼任陸軍總司令。他發佈命令說：“每一個人應站在其現在位置上打回去。當後方沒有既設陣地時，絕對不許後退”。雖然德軍將領都一再要求撤退，而且古德里安和赫普納都因擅自撤退而被免職，可是希特勒卻認爲萬萬不可以退卻，否則就會重蹈拿破崙的覆轍。雖然是由於他的固執，纔會使這個戰役走到了慘敗的邊緣，可是也因爲他的固執，才使他不曾跳入這個深淵。毫無疑問的，因爲他不肯撤出蘇聯或是斯摩棱斯克以東的地區，才使他的大軍避免了一個比1812年還更可怕的浩劫。希特勒的計劃與拿破崙不同，不是全線撤退而是向後方運動，將原前進的補給線都變成了抵抗據點，到12月底，在莫斯科西南方向，蘇聯紅軍收復了卡盧加。在西北方向，加裏寧也被蘇聯紅軍收復。東南方向，蘇聯紅軍解除了德軍對圖拉的包圍。莫斯科會戰結束，蘇聯紅軍取得了蘇德戰爭爆發以來的第一次大勝利。德軍損失人員50餘萬，坦克1300餘輛，火炮2500門。德軍不得不改“閃擊戰”爲持久戰。
1942年1月7日蘇聯紅軍重奪了莫斯科以北的加裏寧 。1月初，西部戰略方向的反攻乃告完成。精疲力竭的德軍已經撤退到100至250公里外。德軍38個師，內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，使德軍驚慌失措，希特勒要求死守每一個居民地，一步也不後退，直到最後一兵一卒。
由於缺乏實施大規模進攻行動的經驗以及缺少快速兵團，蘇聯紅軍因而未能全部完成所賦予的圍殲“中央”集團軍羣基本兵力的任務，2月初，來自西歐的德軍增援部隊(12個師又2個旅)和中央集團軍羣北翼部隊，分別實施反突擊，蘇聯紅軍的態勢惡化。蘇聯紅軍最高統帥部命令西方向部隊轉入防禦、撤回外線作戰部隊，會戰至此結束。
1942年4月，進攻莫斯科的德軍傷亡人數達50萬人，被蘇聯紅軍趕到了距離莫斯科100乃至350公里以外的地帶。而蘇聯付出了傷亡和被俘70多萬人的慘重代價，卻取得了莫斯科保衛戰的最後勝利。
在反擊戰中，由於莫斯科的一些大型工廠的撤離，使得蘇聯紅軍在反擊中出現了彈藥不足的情況，使得蘇聯紅軍的反擊被迫中止，不然也許會殲滅更多德軍。
