1941年11月15日，德軍終于發(fā)起了進(jìn)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(lǐng)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(tuán)軍。11月23日，第3裝甲集群占領(lǐng)莫斯科西北部32公里處的克林，將蘇軍第30和第16集團(tuán)軍分割開來(lái)。此時(shí)，蘇軍陣線危如累卵，但由于預(yù)備隊(duì)前赴后繼地頑強(qiáng)抵抗，迫使德軍每爭(zhēng)奪一寸土地都要付出慘重的代價(jià)。11月26―27日，在噩夢(mèng)似的艱苦條件下，黨衛(wèi)軍“帝國(guó)”師與蘇軍第16集團(tuán)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(shí)，第7裝甲師也開始步步進(jìn)逼莫斯科――伏爾加河。11月28日，庫(kù)茲涅佐夫接到朱可夫的命令，率領(lǐng)第1突擊集團(tuán)軍，在第16集團(tuán)軍的協(xié)同下，將德軍趕回運(yùn)河對(duì)岸。在南部，蘇軍預(yù)備隊(duì)在圖拉、奧卡河和莫斯科河阻擊了第2裝甲集群的前進(jìn)。12月1日，第4集團(tuán)軍向莫斯科發(fā)動(dòng)進(jìn)攻，氣溫驟然下降到零下35攝氏度。雖然第4集團(tuán)軍已經(jīng)突破蘇軍第33集團(tuán)軍的防線并深入24公里處的縱深地帶，但在蘇軍的頑強(qiáng)抵抗下，在1941年12月4日被迫停止前進(jìn)。這時(shí)，德軍指揮官意識(shí)到他們已無(wú)法贏得戰(zhàn)役的勝利，事實(shí)上，德軍的進(jìn)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(yuǎn)離莫斯科。蘇軍擁有強(qiáng)大的預(yù)備隊(duì)，能夠在一夜之間從防御轉(zhuǎn)入進(jìn)攻，德軍為此大驚失色，因?yàn)榇藭r(shí)他們還沒有建立必要的防御陣地。盡管蘇軍指揮官在實(shí)施機(jī)動(dòng)進(jìn)攻作戰(zhàn)方面缺乏經(jīng)驗(yàn)，但莫斯科的反攻還是取得了成功。蘇軍的戰(zhàn)術(shù)固然無(wú)法與德軍的戰(zhàn)術(shù)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(cuò)誤卻貽誤了包圍德軍第4集團(tuán)軍的戰(zhàn)機(jī)，后者在面臨極度危險(xiǎn)的情況下進(jìn)行了頑強(qiáng)抵抗。12月20日，蘇軍逐步消除了德軍對(duì)莫斯科的威脅，并開始策劃發(fā)動(dòng)一場(chǎng)雄心勃勃的進(jìn)攻，試圖包圍和消滅中央集團(tuán)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(dòng)進(jìn)攻，同時(shí)西方面軍的左翼也從莫斯科南部向北部推進(jìn)，打算在維阿茲馬勝利會(huì)師。此時(shí)，希特勒與德軍最高統(tǒng)帥部之間出現(xiàn)了信任危機(jī)。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?jiǎng)谙Ｆ蹶戃娫獛洷幻獬偹玖畹穆殑?wù)，由希特勒兼任。12月16日，希特勒發(fā)布“堅(jiān)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(shù)機(jī)動(dòng)背道而馳。此后4個(gè)星期內(nèi)，當(dāng)中央集團(tuán)軍群的命運(yùn)仍然懸而未決時(shí)，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(wù)，接著又分別免除了第4裝甲集群和第9集團(tuán)軍司令官霍普納和施特勞斯的職務(wù)。1942年1月2日，希特勒不顧可能被包圍的危險(xiǎn)，命令德軍堅(jiān)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(gè)東線發(fā)起全面進(jìn)攻。這樣一來(lái)，蘇聯(lián)的兵力被分散，雖然在其他地點(diǎn)取得了勝利，但給中央集團(tuán)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(jìn)攻開始減弱，1942年3月，德軍再度恢復(fù)了信心。

然而，德軍的軍心已經(jīng)嚴(yán)重動(dòng)搖，這種情況不只是在莫斯科西部存在。北方集團(tuán)軍群停止了向列寧格勒的推進(jìn)。1942年1月8日，北方集團(tuán)軍群在伊爾曼湖地區(qū)遭遇蘇軍的猛烈進(jìn)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(lái)。蘇軍并沒有對(duì)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?qǐng)F(tuán)團(tuán)圍住。

10月18日，第1裝甲集群接到向羅斯托夫進(jìn)軍的命令。但由于后方物資補(bǔ)給困難，第1裝甲集群直到11月5日才開始向羅斯托夫進(jìn)軍。顯然，物資補(bǔ)給問題已經(jīng)越來(lái)越成為左右戰(zhàn)爭(zhēng)進(jìn)程的決定性因素。在德軍的強(qiáng)大攻勢(shì)下，蘇軍防線被突破。幸運(yùn)的是，暴雨遲滯了德軍的所有行動(dòng)，直到11月17日才得以恢復(fù)。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(lái)進(jìn)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(qiáng)大攻勢(shì)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(shù)決定，命令德軍繼續(xù)向西撤退129公里，到達(dá)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(jiān)守陣地，并于12月1日凌晨解除了龍德施泰特的職務(wù)。龍德施泰特被陸軍元帥馮·賴歇瑙取代，后者是一個(gè)狂熱的納粹分子，他確認(rèn)了龍德施泰特發(fā)布的命令，并且得到了希特勒的批準(zhǔn)。10月25日，曼施泰因率領(lǐng)第11集團(tuán)軍越過(guò)彼列科普地峽，突破蘇軍第51集團(tuán)軍的防線，進(jìn)入克里米亞。