根据“台风”计划，德军第2装甲集群在布良斯克方向，第3、第4装甲集群1在维亚济马方向，相继开始了进攻。尽管苏联红军进行了顽强抵抗，德军仍然突破了防御。德军第2集团军突破了苏联红军第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-图拉的公路推进。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日则进抵维亚济马地域，两方面军大部分军队在此陷入合围，一直顽强抵抗到10月12-13日。13日，苏联红军维亚济马集团大部被歼，被围军队一部后来突出重围，有的留在敌后开展游击斗争。布良斯克方面军陷于战役合围的困境后也向后退却，23日，苏联红军布良斯克集团大部被歼。德军在维亚济马—布良斯克战役中俘虏苏联红军58万人。苏军只有85000人突出德军防线。
但实际上，由于希特勒坚持中央集团军在占领斯摩棱斯克后向北围攻列宁格勒，向南进攻乌克兰，导致了德军在1941年9月30日才放下手来将目标瞄准莫斯科，这实际上为苏联巩固莫斯科附近的防线赢得了时间。
在十月中旬，德国中央集团军结束了对维亚济马一线的苏联红军的围歼，此时朱可夫有抽调了一批新部队，前往莫斯科。这时，秋雨季节开始了;泥泞的道路给两军都带了不便，它在阻碍德军进攻的同时也妨碍了苏联红军的防守，双方的许多作战车辆都陷入泥泞中了，还有部分车辆需要坦克拉出。(并不是某些资料说在十月初期下了大雪)
顽强抵抗
莫扎伊斯克防御线成了莫斯科接近地上的主要抵抗地区，苏联最高统帅部采取了各种紧急措施来保卫首都。
1941年10月9日，莫扎伊斯克防线指挥部获得了新组建的5个机抢营、10个反坦克炮兵团和5个坦克旅，这些部队被重新编成了第5集团军，由列柳申科将军指挥。
1941年10月17日，为了改进军队指挥，西方面军和预备队方面军合编为新的西方面军，朱可夫大将任司令员。同日，根据朱可夫的建议，在西北方向上掩护莫斯科的西方面军右翼部队第22，29，30，31集团军组建为加里宁方面军，由科涅夫上将出任司令员，方面军的指挥机关则在原第10集团军司令部的基础上改建而成。
朱可夫受命之后，着手在沃洛科拉姆斯克—莫扎伊斯克—小雅罗斯拉韦茨—卡卢加一线建立新的防线，并组建第二梯队和方面军预备队。并想方设法抽调了14个步兵师、16个坦克旅和40多个炮兵团，迅速重建了第5、16、43、49四个集团军，但总兵力依然只有9万余人。他还特别注意将富有作战经验的将领派到莫斯科的各主要方向上去。其中，罗科索夫斯基的第16集团军开往沃洛科拉姆斯克，列柳申科的第5集团军在莫扎伊斯克，叶菲列莫夫的第33集团军在纳罗福明斯克方向，43集团军在小雅罗斯拉韦茨，49集团军在卡卢加等地展开防御。
莫斯科市民也被动员起来。在3天之内，组织了25个工人营，12万人的民兵师，169个巷战小组，发动60万人围绕莫斯科城修筑起三道防御工事，其中妇女的数量占了四分之三。 到10月末，仅妇女儿童就构筑了700公里反坦克堑壕，挖掘了300多万立方米的泥土，修筑了3800余个临时和固定火力点。处于防御状态的莫斯科城，被街垒、路垒、工事严密地封锁起来，食品因此严重短缺。
10月中-11月初，在莫扎伊斯克防御地区展开的多次机烈战斗中，苏联红军对德军优势兵力进行了顽强抵抗，将其阻止于拉马河、鲁扎河、纳拉河等地区。
莫斯科疏散许多政府机关和最重要的企业;
1941年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，组建新的民兵师，使全城做好巷战准备。
1941年10月23日，叶廖缅科上将指挥的布良斯克方面军剩余部队突出重围，但古德里安的坦克集团依然紧追不舍，并于29日B近莫斯科左翼重要军工城市——图拉。由于第50集团军的红军战士和图拉民兵的坚守，德军始终无法突破图拉防线，这使得德军的右翼大大延长，导致其在战线中部无法以足够的战术密度作战。
11月初，莫斯科苏联红军又得到了10万人，300辆坦克，2000门火炮的补充。
1941年11月7日十月革命24周年阅兵式。当时纳粹德国军队已经到达，为了提升国民及军队的士气，斯大林在命令在1941年11月7日在红场举行阅兵典礼并发表著名演说，他说道：“我们的国家正在遭到入侵，全体苏维埃公民和军队都要不惜用尽每一滴鲜血来保卫苏维埃土地和村庄”。当天苏联所有广播站都播放了这次演讲。
而原本是在11月7日10点准时阅兵，但在后来提前至1941年11月7日的8点10分。这一次阅兵是有巨大意义的，苏联向全世界表明了战斗到底的决心。苏军队伍在克里姆林宫前检阅，然后直接开赴前线。苏联红军以预备队和补充兵员加强了西方面军。布良斯克方面军撤销。各方面军受领命令扼守所占领的地区，阻止德军从西北和西南迂回莫斯科。
再次进攻
11月后，莫斯科地面的积雪近1米厚，为了不被德国空军发现，部队延最短的路径开路，而开路工具也是最简单的，是马拉压路机，并设置了分流点，道路两旁竖起了2-3米高的雪堆，还将汽车漆成白SE，这样便很难让高空侦察机发现。
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装甲集团军和霍普纳的第4装甲集团军，其任务是分别从北方和西方包围莫斯科;于是德军第三，第四装甲集群重新部署在靠近加里宁和沃洛科拉姆斯克的北线;他们的部队绕开伊斯特拉水库，占领了克林和索尔涅奇诺戈尔斯克。右面的古德里安的第2装甲军团则从南方向莫斯科包围，他们突破了图拉防线，但被一支苏联红军中队拖了几个小时。
苏联红军经过11月底-12月初的顽强防御和多次反突击，德军突向莫斯科的最后企图破产了。苏联红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1941年11月16日到12月5日这段时间内，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。
据说，霍普纳推进了工程营摩托车兵，在1941年11月30日冲进一个距离莫斯科中心只有8公里的郊区，关于这件事，有一种说法是摩托车兵全部阵亡，另一种是说他们很快都撤退了。
1941年-1942年的冬季就算以俄国人的标准来看都异常地严寒。德军因战线过长，补给不足，战役中消耗过大，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，但德军的冬季装备不足，由于认为在入冬前就能结束战事。保暖衣服和白SE伪装服都不足，坦克和其它车辆都因为低温而不能动弹。而苏联红军则士气高涨。
对莫斯科的苏联红军而言，请形则恰好相反。来自西伯利亚的苏联红军早已习惯了寒带生活，有着足够的冬季作战装备，他们的抢炮套上了保暖套，涂上了防冻润滑油;有足够的棉衣、皮靴和护耳冬帽用来防寒。
到了1941年11月29日，德军已成强弩之末，在各个方向上的进攻都已被遏制。此时朱可夫要求斯大林将预备队第10集团军，第20集团军和第1突击集团军转隶给西方面军。此时，苏军的实力是，总兵力110万人，7652门火炮，774辆坦克，1000余架飞机。德军共有170万人，13500门火炮，1170辆坦克，615架飞机。虽然德军兵力要多于苏军，但由于其战线过长，兵力分散，战线并不稳固。
苏联红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担任代理总参谋长，并命令他立即拟定反攻作战计划。苏联红军反攻的指导思想是，同时粉碎德军“中央”集团军群分别从北面和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。
苏联反击
1941年11月29日，朱可夫致电斯大林下达反击命令，当晚，斯大林下达反突击的命令。但这没有引起德国的注意。
1941年12月4日，德国中央集团军群根据所获请报得出结论：苏联没有能力发起一场大规模的反击行动。
到了1941年12月5日，加里宁方面军的第30集团军首先转入反攻，此时德军进攻能力显然已经衰竭。德军装甲集群侧翼遭到强烈打击，进攻的苏联红军迫使他们向克林方向撤退。
1941年12月6日，西方面军在南北两个方向上对德军发动反击，德军部队在气候和苏军的双重夹击下，被从莫斯科附近击退。
1941年12月6日晚上，在图拉的古德里安部决定退回原来的防线。
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9日，苏联红军解放了罗加切沃，11日解放了伊斯特拉，12日解放了索尔涅奇诺戈尔斯克，15日解放了克林，16日解放了加里宁，20日解放了沃洛科拉姆斯克。
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摩棱斯克以东的地区，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仑不同，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，苏联红军收复了卡卢加。在西北方向，加里宁也被苏联红军收复。东南方向，苏联红军解除了德军对图拉的包围。莫斯科会战结束，苏联红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、15000辆汽车和大量其他装备。德军不得不改“闪击战”为持久战。
1942年1月7日苏联红军重夺了莫斯科以北的加里宁。1月初，西部战略方向的反攻乃告完成。经疲力竭的德军已经撤退到100至250公里外。德军38个师，内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，使德军惊慌失措，希特勒要求死守每一个居民地，一步也不后退，直到最后一兵一卒。
由于缺乏实施大规模进攻行动的经验以及缺少快速兵团，苏联红军因而未能全部完成所赋予的围歼“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，分别实施反突击，苏联红军的态势恶化。苏联红军最高统帅部命令西方向部队转入防御、撤回外线作战部队，会战至此结束。
结果
1942年4月，进攻莫斯科的德军伤亡人数达50万人，被苏联红军赶到了距离莫斯科100乃至350公里以外的地带。而苏联付出了伤亡和被俘70多万人的惨重代价，却取得了莫斯科保卫战的最后胜利。
在反击战中，由于莫斯科的一些大型工厂的撤离，使得苏联红军在反击中出现了弹要不足的请况，使得苏联红军的反击被迫中止，不然也许会歼灭更多德军。
苏联红军以巨大人员损失先后解放了罗加切沃、别廖夫等一系列地区与城市。
德军的失败使德军士气低落，在冬季战局中，35名高级将领，陆军总司令布劳希奇元帅被停职、博克元帅被取消中央集团军总司令的头衔，由克鲁格取代，霍普纳被开除军籍，剥夺身穿军装和领取养老金的权利，古德里安上将被停职，直到1943年2月重返部队，施特劳斯上将等被撤职或停职。
德军在莫斯科会战中损失兵力50多万，投降9万，丢失坦克1300辆，火炮2500门，汽车1.5万辆以及其他技术装备，这些人员的损失不可估量。
此后展开了勒热夫—瑟乔夫卡战役。
