“台风行动”计划
1941年8月上旬，德军攻占斯摩棱斯克，这是通往莫斯科路上的一个重要据点，但斯摩棱斯克以外的战斗持续到9月上旬，阻碍了德军的攻势，有效地瓦解了闪电战战术。其后，古德里安的装甲部队到达莫斯科外围，但希特勒命令他转向南方去支持龙德施泰特指挥的南方集团军群对基辅的攻击。
由于德军的“巴巴罗萨”作战计划中预定目标未能实现，为此，德军统帅部在1941年9月29日，又制订了“台风行动”作战计划，要在10天内拿下莫斯科。9月底，德军集结部队，做好了“台风行动”的攻势准备。
1941年10月2日，包克指挥的中央集团军群终于向莫斯科发动攻击。德军认为莫斯科在政治和军事战略上具有重要意义。德军计划以各坦克集团实施突击，割裂苏军防御，并在维亚济马、布良斯克两地域合围歼灭西方面军、预备队方面军和布良斯克方面军，然后以强大、快速集群，从北面和南面包围莫斯科，在步兵兵团实施正面进攻的同时，攻占苏联首都。
根据“台风行动”计划，德军第2装甲集群9月30日在布良斯克方向，第3、第4装甲集群10月2日在维亚济马方向，相继开始进攻。尽管苏军顽强抵抗，德军仍突破了其防御。德军第2集团军突破了苏军第50集团军的防线，于1941年9月下旬夺取布良斯克。10月3日奥廖尔陷落，德军沿着奥廖尔-图拉公路推进。莫斯科以西的维亚济马方向，西方面军和预备队方面军，进行了艰苦的防御战斗。德军10月7日进抵维亚济马地域，苏军两方面军大部分军队在此陷入合围，一直顽强抵抗到10月13日。维亚济马守军大部被歼，一部后来突出重围。布良斯克方面军陷于合围后也开始向后退却，至23日大部被歼。德军在维亚济马-布良斯克战役中，俘虏苏军67万人。这是基辅会战之后，德军又一次辉煌的胜利。
自此，苏军莫扎伊斯克防线成了接近莫斯科的主要抵抗地区，驻守的4个集团军总共只有9万人，这些兵力不足以在整个地带建立坚固防御。为了改进军队指挥，西方面军和预备队方面军于10月10日合编为西方面军，朱可夫大将任司令。10月中至11月初，在莫扎伊斯克防御地区展开多次激烈战斗，苏军对德军的优势兵力进行了顽强抵抗，阻止了德军的攻势。
10月14日，德军突入加里宁地域。10月17日，苏军以西方面军右翼为基础组成了加里宁方面军，由科涅夫上将指挥。德军想从加里宁向东南进攻并包抄西北方面军和西方面军后方的企图被粉碎。
德军虽然在维亚济马—布良斯克战役中，消灭了大量苏军有生力量，但随着天气的变冷，秋雨把道路变成泥沼，这几乎使德军的进攻瘫痪。
德军被迫全线停止前进，以待大地封冻。德军暂时的停进，使苏军赢得了宝贵的喘息之机。到10月底，苏军最高统帅部开始抽回一些部队作为预备队，使其得到必要的休息，新的预备队也在源源不断地赶到。10月末，战线分布在加里宁-库宾卡-谢尔普霍夫-阿列克辛-图拉。德军虽遭重大损失，但仍增调兵力，变更部署，企图在冬季到来前合围并占领莫斯科。
1941年冬季，就算以俄国人的标准来看都异常寒冷。德军因战线过长，补给不足，在战斗中消耗过大，既没有设防御阵地和战役预备队，又无在冬季条件下作战的准备，11月上旬入冬，虽然道路能够使用，但由于德军认为在入冬前就能结束战事，德军的冬季装备不足，平均5人一件棉衣，坦克和其他车辆都因低温而不能动弹。德军士气严重受挫，苏军士气则有所恢复。
莫斯科疏散了许多政府机关和最重要的企业。10月20日，国防委员会在莫斯科及其附近地域实行戒严。当局命令居民在街道筑起防御工事，连克里姆林宫附近都不例外，并且组建了新的民兵师，使全城做好巷战准备。苏联政府向东撤退到古比雪夫（现在的萨马拉），但斯大林仍留在莫斯科。
为了提振国民及军队士气，斯大林命令11月7日在红场照常举行纪念十月革命的阅兵式。队伍在克里姆林宫前检阅，然后直接开赴前线。苏军以预备队和补充兵员加强了西方面军。11月10日，布良斯克方面军撤销。各方面军受领命令扼守所属地区，阻止德军从西北和西南方向迂回靠近莫斯科。
苏联官方拍摄的二战影视作品中，在德军逼近莫斯科之际，全城百姓同仇敌忾，无数志愿者加入战斗，自发起来保卫家园。但事实上，在莫斯科保卫战初期，很多官员和百姓还是选择了弃城逃跑。
1941年10月16日，苏联国防委员会通过了《关于疏散苏联首都居民》的决议。很多人将其理解为，莫斯科城不久将被拱手送给德国人。城内很快乱成一团，地铁关闭，有轨电车停运。一些苏共官员首先逃离出城，据记载：“第一天便有779名领导干部逃出首都，随身携带有价值2500万卢布的金钱和贵重物品，他们还动用了100辆轿车和货车运送家属。”看到领导们都逃了，普通市民们也收拾细软，想办法出城。接连三天，出城的公路上人满为患。但到了10月20日，莫斯科城进入被围状态之后，人员大量外逃现象便不复存在。
11月15～18日，德军经过调整和补充后，向莫斯科重新发起进攻。德军在加里宁沿克林、罗加切沃方向和图拉方向分别实施主要突击，企图从北面和南面迂回至莫斯科。11月底至12月初，德军在付出巨大代价后前出到莫斯科运河。12月4日加里宁失守。12月5日莫斯科以南165公里的小镇图拉被局部包围，但德军遇到了苏军的顽强抵抗，莫斯科附近的战斗变得异常激烈。苏军派了无数新兵和志愿者，甚至把一个妇女营投入到了德军的机枪与炮火中。
在莫斯科保卫战中，苏军的一个战斗小组表现得尤为英勇，他们守卫在距离莫斯科200公里的一个公路路口，在与德军鏖战4个小时之后，击毁德军18辆坦克，击毙德军数十人，自己也只剩28人，指导员克罗奇科夫为激励战士，说出了“俄国虽大，但已无路可退，身后就是莫斯科”的话，最后28名勇士弹尽粮绝，全部牺牲，克罗奇科夫抱着一捆手榴弹扑向德军，炸毁了一辆德军坦克。苏军经过11月底至12月初的顽强防御和多次反突击，德军突击莫斯科的企图破产。苏军虽然经常处在危急状态，但终于坚持下来并消耗了德军。仅11月16日至12月5日，德军在莫斯科附近就死伤15.5万余人，损失坦克约800辆、火炮300门、飞机近1500架。
这时，苏军转入反攻并粉碎莫斯科城下德军的条件已经具备。斯大林任命华西列夫斯基中将代理总参谋长，并命令他立即拟定反攻作战计划。苏军反攻的指导思想是：同时粉碎德军中央集团军群和从北面、南面威胁莫斯科的最危险的突击集团。反攻的基本任务赋予了西方面军。加里宁方面军和西南方面军分别在其北面和南面实施突击。
1941年12月5日，朱可夫带领苏军发动大规模反击，最主要的攻势集中向德军中央集团军群。12月6日，苏军攻势在莫斯科地区全面展开。此时德军进攻能力已经衰竭。在秋季，朱可夫从西伯利亚和远东地区，调回了一些装备精良的部队到莫斯科，一直留待反击之用。这次，斯大林相信了苏联间谍佐尔格的情报：日本不会攻击苏联远东地区。此时德军已经非常接近莫斯科中心，朱可夫投入大量援军以对抗德军的攻势。苏军部队已经为冬季战事做好了准备，包括多个滑雪营。
12月8日，希特勒签署了在苏德战场全线，包括莫斯科方向转入防御的训令。12月16日，苏军收复了图拉。1942年1月7日夺回了莫斯科以北的加里宁。1月初，西部战略方向的反攻完成。精疲力竭的德军撤退到100～250公里外。德军的38个师，有15个坦克师和摩托化师遭重创。进攻莫斯科的突击集团被击溃，德军惊慌失措，希特勒要求死守每一个据点，一步也不后退，直到最后一兵一卒。
由于苏军缺乏实施大规模进攻的经验，以及缺少快速兵团，因而未能全部完成围歼中央集团军群基本兵力的任务。2月初，来自西欧的德军增援部队（12个师又2个旅）和中央集团军群北翼部队，分别实施了反突击，苏军的态势恶化。4月20日，苏军最高统帅部命令西方面军部队转入防御、撤回外线作战部队，会战至此结束。
莫斯科保卫战，使纳粹德国企图快速征服苏联的计划破产，打破了德国陆军不可战胜的神话，使其遭到了无法弥补的物质损失。接下来，苏德这两头令人恐怖的猛兽，互相瞪着眼睛，挥着爪子，张着血盆大口，开始了3年多的拉锯对峙。