蘇聯的秋天，道路泥濘，給德軍摩托化部隊帶來了極大的困難德軍在“閃電戰”計劃破產後，被迫縮短戰線，妄圖集中力量，迅速攻佔莫斯科。莫斯科是蘇聯首都，全國政治、經濟、軍事和文化中心，也是鐵路交通樞紐，具有極其重要的戰略意義。希特勒認爲，一旦攻佔莫斯科，就能擊敗蘇軍主力，達到結束對蘇戰爭的目的。
9月30日，德軍對莫斯科發動了代號“颱風”的大規模攻勢，妄圖在十天之內攻佔它。
德軍投入的兵力有七十四個半師，一百八十萬人，一千七百輛坦克，一千三百九十架飛機，一萬四千多門大炮和迫擊炮。德軍集中了最精銳的部隊。蘇軍方面總共有九十五個師，一百二十五萬人，九百九十輛坦克，六百七十七架飛機，七千六百門大炮和迫擊炮。希特勒揚言要在莫斯科紅場上檢閱他的法西斯軍隊。10月2日，德軍從中部突破了蘇軍防線，到10中旬的兩週之內，德軍中央集團軍羣完成了三個大包圍圈，兩個在布良斯克附近，另一個在維亞茲馬以西。在這三個包圍圈作戰中，德軍共俘虜六十六萬三千俄國人。面對這危急關頭，蘇軍迅速在莫斯科以西約八十公里的莫日艾斯克組織了防線，阻止德軍推進。
10月10日，斯大林任命朱可夫大將爲西方和預備隊方面軍司令員。朱可夫迅速重建了四個集團軍，以防守莫日艾斯克。10月中旬，在北、西、南通往莫斯科的所有重要地段上都展開了激烈的戰鬥。10月15日，蘇聯政府的部分機構和外國使節遷往古比雪夫。斯大林留在莫斯科，親自指揮保衛成，10月19日，國防委員會宣佈莫斯科戒嚴，號召首都人民誓死保衛莫斯科。三天之內，全市組織了二十五個工人營，十二萬人的民兵師，一百六十九個巷戰小組。有四十五萬人蔘加修築防禦工事，其中四分之三是婦女。在首都和全國軍民支援下，前線軍民英勇抗敵，浴血奮戰。
到10月底，德軍被阻止在加裏寧——土耳基諾沃——沃洛克拉姆斯克——多羅霍沃——納羅——佛敏斯克——謝爾普霍夫——阿列克辛以西一線。希特勒妄圖在10月佔領莫斯科的計劃破產了。
1941年11月7日，蘇軍在英勇保衛莫斯科的同時，紅場依然進行着閱兵式。斯大林向全國軍民發表振奮人心的演說：“我們的事業是正義的，勝利一定屬於我們！”
11月15日，德軍向莫斯科發動第二次瘋狂進攻。11月23日，德軍佔領克林，27日，又佔領了離莫斯科僅有二十四公里的伊斯特臘。莫斯科處於德軍大炮射程之內，德軍用望遠鏡幾乎可以看到克里姆林宮的頂尖，在這千鈞一髮之際，莫斯科軍民誓死保衛首都，蘇軍第316步兵師(後改名爲潘菲洛夫第8近衛師)，表現了蘇軍大無畏的革命英雄氣概，在阻擊德軍坦克通向莫斯科的杜波塞科沃要道上，持續戰鬥四個小時，擊毀敵人十八輛坦克，爲保衛莫斯科，英雄們全部壯烈犧牲。從11月16日到12月5日，德軍損失官兵十五萬五千，坦克七百七十七輛，而莫斯科巋然不動。
12月初，莫斯科的氣溫已下降到零下二十至三十度，德軍沒有棉衣，飛機和坦克的馬達無法發動，坦克上的光學窺鏡失去作用。而蘇軍，他們習慣寒帶生活，而且穿上了棉衣、皮靴和護耳冬帽，僅英、美根據莫斯科議定書就給蘇聯運送了一百五十萬雙軍靴，一萬零五百噸制靴皮革。隨後又運去七百萬雙軍靴。12月6日，蘇軍從莫斯科南面和北面展開大反攻。1942年初，蘇軍擊潰了進攻莫斯科的德軍，斃傷十六萬八千人，把德軍趕離莫斯科一百到二百五十公里，取得了莫斯科保衛戰的勝利，在1941年德蘇戰場的整個冬季戰役中，德軍被擊潰五十個師，陸軍傷亡八十三萬多人。
德軍在莫斯科戰役中的失敗，標誌着希特勒閃電戰的徹底破產。這是德軍在第二次世界大戰中的第一次大失敗。蘇軍的勝利，極大地鼓舞了蘇聯人民和全世界人民反法西斯戰爭的勝利信心。
