1941年11月15日，德軍終于發(fā)起了進攻，試圖突破莫斯科南部與北部的蘇軍防線。11月24日，古德里安的第2裝甲集群占領了距離莫斯科公里的韋尼奧夫，并開始包圍莫斯科。瑞哈德特的第3裝甲集群與霍普納的第4裝甲集群努力阻擊蘇軍第30和第16集團軍。11月23日，第3裝甲集群占領莫斯科西北部32公里處的克林，將蘇軍第30和第16集團軍分割開來。此時，蘇軍陣線危如累卵，但由于預備隊前赴后繼地頑強抵抗，迫使德軍每爭奪一寸土地都要付出慘重的代價。11月26―27日，在噩夢似的艱苦條件下，黨衛(wèi)軍“帝國”師與蘇軍第16集團軍下轄的第78西伯利亞師在莫斯科西北部的伊斯特拉遭遇，與此同時，第7裝甲師也開始步步進逼莫斯科――伏爾加河。11月28日，庫茲涅佐夫接到朱可夫的命令，率領第1突擊集團軍，在第16集團軍的協(xié)同下，將德軍趕回運河對岸。在南部，蘇軍預備隊在圖拉、奧卡河和莫斯科河阻擊了第2裝甲集群的前進。12月1日，第4集團軍向莫斯科發(fā)動進攻，氣溫驟然下降到零下35攝氏度。雖然第4集團軍已經(jīng)突破蘇軍第33集團軍的防線并深入24公里處的縱深地帶，但在蘇軍的頑強抵抗下，在1941年12月4日被迫停止前進。這時，德軍指揮官意識到他們已無法贏得戰(zhàn)役的勝利，事實上，德軍的進攻已經(jīng)陷于失敗的境地。12月5日，蘇軍在朱可夫的指揮下向德軍發(fā)起猛烈攻擊。

蘇軍的反攻旨在迫使德軍遠離莫斯科。蘇軍擁有強大的預備隊，能夠在一夜之間從防御轉(zhuǎn)入進攻，德軍為此大驚失色，因為此時他們還沒有建立必要的防御陣地。盡管蘇軍指揮官在實施機動進攻作戰(zhàn)方面缺乏經(jīng)驗，但莫斯科的反攻還是取得了成功。蘇軍的戰(zhàn)術固然無法與德軍的戰(zhàn)術相提并論，卻沉重打擊了德軍的士氣，使德軍處于瀕臨崩潰的邊緣。德軍在蘇軍的反攻下被迫后撤，但蘇軍的錯誤卻貽誤了包圍德軍第4集團軍的戰(zhàn)機，后者在面臨極度危險的情況下進行了頑強抵抗。12月20日，蘇軍逐步消除了德軍對莫斯科的威脅，并開始策劃發(fā)動一場雄心勃勃的進攻，試圖包圍和消滅中央集團軍群?？颇蛑笓]加里寧方面軍從莫斯科北部向西南方向發(fā)動進攻，同時西方面軍的左翼也從莫斯科南部向北部推進，打算在維阿茲馬勝利會師。此時，希特勒與德軍最高統(tǒng)帥部之間出現(xiàn)了信任危機。12月17日，以健康狀況不佳為借口，博克在前線被就地免職，由陸軍元帥馮·克魯格接任。12月19日，馮·勃勞希契陸軍元帥被免除總司令的職務，由希特勒兼任。12月16日，希特勒發(fā)布“堅守陣線，以防撤退引起大潰敗”的命令。該命令與德軍戰(zhàn)地司令官希望的戰(zhàn)術機動背道而馳。此后4個星期內(nèi)，當中央集團軍群的命運仍然懸而未決時，希特勒于12月25日免除古德里安的第2裝甲集群司令官的職務，接著又分別免除了第4裝甲集群和第9集團軍司令官霍普納和施特勞斯的職務。1942年1月2日，希特勒不顧可能被包圍的危險，命令德軍堅守防線。1月5日，斯大林不顧朱可夫的建議，反其道而行之，命令蘇軍在整個東線發(fā)起全面進攻。這樣一來，蘇聯(lián)的兵力被分散，雖然在其他地點取得了勝利，但給中央集團軍群所造成的致命威脅卻因此而逐漸消除。1942年2月，蘇軍的進攻開始減弱，1942年3月，德軍再度恢復了信心。

然而，德軍的軍心已經(jīng)嚴重動搖，這種情況不只是在莫斯科西部存在。北方集團軍群停止了向列寧格勒的推進。1942年1月8日，北方集團軍群在伊爾曼湖地區(qū)遭遇蘇軍的猛烈進攻，雖然傷亡慘重，但截至1942年4月，他們還是在蘇聯(lián)的寒冷冬季里幸存下來。蘇軍并沒有對德軍予以決定性的突破，后者仍然能夠毫不留情地將列寧格勒團團圍住。

10月18日，第1裝甲集群接到向羅斯托夫進軍的命令。但由于后方物資補給困難，第1裝甲集群直到11月5日才開始向羅斯托夫進軍。顯然，物資補給問題已經(jīng)越來越成為左右戰(zhàn)爭進程的決定性因素。在德軍的強大攻勢下，蘇軍防線被突破。幸運的是，暴雨遲滯了德軍的所有行動，直到11月17日才得以恢復。11月20日，在零下20度的寒冷天氣里，羅斯托夫落入德軍手中。鐵木辛哥的西南方面軍后來進行了重組，于11月22日向羅斯托夫北部發(fā)起猛烈反攻。11月28日，在蘇軍的強大攻勢下，第1裝甲集群被迫放棄羅斯托夫。龍德施泰特接受了克萊斯特的戰(zhàn)術決定，命令德軍繼續(xù)向西撤退129公里，到達米烏斯河后方的一處防御陣地。希特勒命令第1裝甲集群堅守陣地，并于12月1日凌晨解除了龍德施泰特的職務。龍德施泰特被陸軍元帥馮·賴歇瑙取代，后者是一個狂熱的納粹分子，他確認了龍德施泰特發(fā)布的命令，并且得到了希特勒的批準。10月25日，曼施泰因率領第11集團軍越過彼列科普地峽，突破蘇軍第51集團軍的防線，進入克里米亞。