巴巴罗萨计划开始后，德军快速深入苏联领土，装甲部队以钳形方式推进。北方集团军群进攻列宁格勒，南方集团军群征服乌克兰和高加索，中央集团军群进军莫斯科。苏军的防线很快便崩溃，死伤枕藉。
1941年8月上旬，德军攻占了通往莫斯科的重要城市斯摩棱斯克。9月中旬，古德里安的装甲部队到达莫斯科外围，但希特勒命令古德里安转向南方，支援南方集团军群对基辅的进攻。基辅战役后，德军再一次集中兵力，向莫斯科发动进攻。由于北方集团军群在列宁格勒的攻势被遏制，始终无法突破苏军的防御，德军统帅部将北方集团军群配属的大部分装甲师和摩托化师调往莫斯科方向。
1941年9月29日，德军最高统帅部和中央集团军群制定了代号为“台风”的作战方案，计划在10天内拿下莫斯科。9月底，德军集结了部队，作好了“台风”攻势准备。
德国情报机关判断苏军在莫斯科战线的部署为：前方是铁木辛哥西方面军的7个集团军，南面是叶廖缅科布良斯克方面军的两个集团军。而对后方苏军情况则一无所知。实际上，苏联得知日本在远东地区的主要对手是美国，而不是苏联，所以朱可夫从远东地区调集大量部队火速赶赴莫斯科。事实表明，这一步极为关键。
中央集团军群司令包克元帅的任务是，在攻打莫斯科之前首先歼灭当面苏军。德军计划的基本内容是，以斯摩棱斯克-莫斯科这条线在中央作为基准线，分两路进行钳形包围，在苏军后方100多千米的维亚兹马会合。
自7月起，苏联政府动员群众在莫斯科以西两道防线构筑工事。前一道防线叫维亚兹马防线，全长200多千米。后一道防线叫莫日艾斯克防线，全长200多千米。此外，在莫斯科以西还有4道弧形防线。
中央集团军群有74个半师，包括14个坦克师和8个摩托化师，约占侵苏步兵师总数的38%，坦克师和摩托化师的64%。计180万人，坦克1700辆，火炮和迫击炮14000余门，飞机1390架。
参加莫斯科会战的苏军有：科涅夫上将的西方面军、叶廖缅科上将的布良斯克方面军、布琼尼元帅的预备队方面军、加里宁方面军和西南方面军右翼。约125万人，坦克990辆，火炮和迫击炮7600门，飞机677架。
军力对比，德军不仅具有数量上的优势，在质量上也占据优势。苏军有一半的坦克和飞机是旧式的，而且冲锋枪、机枪等自动枪数量严重不足。
德军士气高涨，认为冬季之前可以取得全面胜利。但是，德军进攻的是俄罗斯人生活了几百年的核心地区，自然会遭到激烈而顽强的抵抗。11月19日，德军参谋总长哈德尔向希特勒描绘了阴暗景象：天气恶劣，兵力不足，补给品供应中断，南方集团军群停滞不前。50万辆卡车中，30%损坏而无法修复，40%需要大修或全面检修，只有30%仍在使用。中央集团军群每天至少需要31列火车运送补给品才能维持，实际上只提供了16列火车。
德军进攻苏联时，油料储备只够用两到三个月。德国陆军总部留作预备队的28个师，除了3个师，全部都参加了夏季作战，德军伤亡达44万人。到8月底，补充兵员只有21万人。除了波罗的海地区能利用海上运输外，油料补充日益困难，原因是缴获苏联铁路车辆太少，尤其是油罐车更少，而且苏联宽轨制约了德军对其的利用率。德军坦克部队由于人员的伤亡和车辆的损坏，已降到编制定额的一半。灰尘、沙地和长途行驶使发动机严重磨损，更换新的发动机又有困难。摩托车辆也负担过重，按编制缺少1/3。由于希特勒决定对新组建的师提供装备应优先于原有的部队，使坦克和摩托车辆的整个供应状况更加糟糕。
德军第2装甲集群在布良斯克方向，第3、第4装甲集群在维亚兹马方向相继开始进攻。第2集团军突破了苏军第50集团军防线，9月下旬夺取布良斯克。10月3日奥廖尔陷落。德军沿奥廖尔-图拉公路推进。10月7日德军进抵莫斯科以西的维亚兹马地域，西方面军和预备队方面军大部分军队在此陷入合围，一直顽强抵抗到10月12至13日。13日，苏军维亚兹马集团大部被歼。23日，布良斯克集团大部被歼。德军在维亚兹马-布良斯克战役中俘虏苏军58万人。
10月中旬进入雨季，泥泞的道路阻碍德军进攻的同时也妨碍了苏军防守，双方的许多作战车辆陷入泥泞中。
苏联最高统帅部采取各种紧急措施保卫首都。10月17日，西方面军和预备队方面军合编为西方面军，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。
莫斯科疏散政府机关和重要企业。10月20日，国防委员会在莫斯科及其附近地域实行戒严，连克里姆林宫附近都不例外。莫斯科市民动员起来，3天内组织了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筑起三道防御工事。10月底，仅妇女儿童就构筑了700千米反坦克堑壕，修筑了3800余个临时和固定火力点。
有历史著作称，斯大林对德军闪电进攻莫斯科缺乏足够的心理和实战准备，显得猝不及防。这一说法与事实不符。战后，苏联人民委员阿纳斯塔斯·米高扬说：虽然斯大林当时确信德国人会攻入莫斯科城，但仍做好了严密布防，拖住敌人，等待西伯利亚援兵到来。
1941年10月12日，苏联内务人民委员会组建了20个契卡战斗小组，负责守卫克里姆林宫、白俄罗斯车站、猎品市场等重要目标。为了日后开展地下抵抗运动，在莫斯科全城设了59个秘密军火库，在莫斯科附近砍伐了近105公顷的森林用来拖延德军进攻，高层建筑上设有大量防空炮，半空中设有大量防空气球，晚间实施戒严和灯火管制，在莫斯科大剧院、中央电报局大楼、地铁和民族宾馆内埋设地雷。甚至在圣瓦西里大教堂内也设置了爆炸装置，因为有人推猜德军攻下莫斯科后，希特勒很可能会乘兴巡游这些景点。
德军逼近莫斯科之际，全城百姓同仇敌忾，无数志愿者自发起来保卫家园。但也有不少官员和百姓弃城逃跑。10月16日，苏联国防委员会通过“关于疏散苏联首都居民”的决议。有人误解为莫斯科城很快被拱手送给德国人了，城内地铁关闭，电车停运，乱成一糟。“第一天便有779名领导干部逃出首都，随身携带了价值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。”看到官员逃跑，一些市民也纷纷逃离。接连3天，出城的公路上人满为患。直到10月20日莫斯科被围困之后，外逃现象才停止。
10月23日，叶廖缅科上将指挥的布良斯克方面军剩余部队冲出重围，但古德里安的坦克集团依然紧追不舍，于29日逼近莫斯科南部重要军工城市图拉。由于第50集团军和图拉民兵坚守，德军始终无法突破图拉防线，这使德军的右翼延长，无法在战线中部以足够的战术密度作战。
11月7日，在红场举行的十月革命24周年阅兵式上，斯大林发表了著名演说：“我们的国家正在遭到入侵，全体苏维埃公民和军队都要不息用尽每一滴鲜血来保卫苏维埃土地和村庄”。苏联这次阅兵向全世界表明了战斗到底的决心，部队在克里姆林宫前接受检阅后直接开赴前线。
11月13日，德陆军总参谋长哈德尔召开中央集团军群各军团参谋长会议，下达“1941年秋季攻势命令”。中央集团军群集中了51个师，担任正面攻击的是克鲁格第4集团军，左面是霍特第3装甲集团军和霍普纳第4装甲集团军，任务是从北方和西方包围莫斯科。
苏军经过11月底至12月初的顽强防御和多次反突击，使德军突向莫斯科的企图最终破产。
11月上旬入冬，德军认为在入冬前就能结束战事，因此冬季装备准备不足。而苏军恰好相反，特别是来自西伯利亚的苏军习惯寒带生活，枪炮有保暖套和防冻润滑油，有足够的棉衣、皮靴和护耳冬帽防寒。
11月29日，德军已成强弩之末。朱可夫请求斯大林将预备队第10集团军、第20集团军和第1突击集团军转隶西方面军。此时苏军兵力110万人，7652门火炮，774辆坦克，1000余架飞机。德军170万人，13500门火炮，1170辆坦克，615架飞机。虽然德军兵力多于苏军，但战线过长，兵力分散。
苏军已具备转入反攻的条件。斯大林任命华西列夫斯基中将代理总参谋长，拟定反攻作战计划，指导思想是，同时粉碎德军中央集团军群从北面和南面威胁莫斯科的最危险突击集团。
德军进攻莫斯科失败了。但德军取胜的机会也很多，维亚兹马合围与布良斯克战役中，德军包围了保卫莫斯科的大部分苏军，苏军不知如何进行正确的防御作战。如果没有朱可夫的防御战术，苏军很可能在莫扎伊斯克第二道防线的战斗中重演维亚兹马合围。那样，希特勒在莫斯科红场结束会战的预想是可以实现的。
11月29日，斯大林接到朱可夫的电文后下达反击命令，而德军仍认为苏军没有能力发起大规模的反击行动。
12月5日，加里宁方面军的第30集团军首先转入反攻，此时德军已无进攻能力。德军装甲集群侧翼遭到强烈打击后，向克林方向撤退。12月6日，西方面军在南北两个方向对德军发动反击，德军在气候和苏军的双重夹击下，从莫斯科附近后退。
12月19日，希特勒免去了勃劳希契陆军总司令职务，亲自兼任陆军总司令。他发布命令说：“每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。”尽管古德里安和赫普纳都因擅自撤退而被免职，德军将领仍然一再要求撤退。但希特勒却认为撤退会重蹈拿破仑的覆辙。由于他的固执，使此战走到了惨败的边缘，也因为他的固执，不肯撤出苏联或是斯摩棱斯克以东地区，才使德军避免了比1812年更可怕的结局。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，将原来的补给线都变成抵抗据点。
到12月底，在莫斯科西南方向，苏军收复了卡卢加；在西北方向，收复了加里宁；在东南方向，解除了德军对图拉的包围。莫斯科会战结束，苏军取得了苏德战争爆发以来的第一次大胜利。德军伤亡50余万，坦克1300余辆，火炮2500门，不得不改“闪击战”为持久战。
莫斯科战役之前的战斗中，德军消灭苏军300多万人，击毁和缴获大炮22000门，坦克18000辆，飞机14500架。在战争初期，苏军上下处于混乱状态，战争第一周就损失了5个集团军。
莫斯科战役前夕和进行时，列宁格勒被德军重重合围，顿巴斯和克里木半岛被占领，在整体局势上苏军仍处下风。莫斯科战役开始时，在莫斯科附近的德军超过苏军0.4倍，坦克超过0.7倍，各种火炮和迫击炮超过0.8倍，飞机超过1倍。朱可夫从列宁格勒返回莫斯科时，得出了一个简单而可怕的结论：西线已被摧毁。由于没有后备力量，无法弥补由此导致的巨大缺口，所有通向莫斯科的道路实际上是畅通无阻的。
苏军在莫斯科的防御是背水一战，精神力量鼓舞苏军视死如归，拼死一搏。朱可夫说：“不是雨和雪在莫斯科附近阻止了法西斯军队，而是得到苏联人民、首都和祖国支撑的苏军的不屈不挠、坚忍不拔的精神和英雄主义打败了德军百万以上的精锐部队。”
苏军自9月30日到12月5日的战役防御阶段，战死和失踪51万多人，负伤14万多人。战役反攻期间的12月5日到1月7日共战死和失踪近14人，负伤23万多人。总共伤亡约103万人。而德军在整场战争中损失未满100万人。
反攻前夕，在莫斯科附近的德军比苏军多60万人，火炮和坦克也多于苏军。苏军的飞机多于德军300余架。苏军的武器在技术和质量上都逊于德军。因此苏军对德军大规模反攻确实有些实力不足。苏军素质相形见绌，直到1944年，苏军还要以牺牲6个人为代价消灭1名德兵。
朱可夫在10月接任西方面军司令后，转变苏军的防御战术，不断完善纵深梯次配置的防御体系，加强对空和对坦克防御，重视战略预备队的组建和适时集中使用，组织炮兵进攻及各军兵种和游击队的协同。坦克作为火力支援，布置在纵深防御体系里，不再进行反突击，于是，德军的老一套战术失灵。但这毕竟是朱可夫尚未成型的思想，而德军也绝非等闲之辈。在战役末期，德军已有一些适应之法。
莫斯科战役作为一次转折性战役，德军遭到痛击，元气大伤。但由于总体战略态势和苏军反击中的指挥失误等原因，德军并没有在莫斯科战役后立即崩溃。
古德里安将兵败莫斯科归咎于俄罗斯严冬的冰雪天气，德军坦克深陷雪地、大炮因燃油被冻无法开动，攻击力大打折扣。然而，1941年11月4日莫斯科近郊最低气温为零下7度，11月8日的最低温度是零度。11月11至13日气温骤降至零下15度，但很快就回升至零下3度，这样的天气很难称为“严寒”。真正严寒（零下40度）的降临是在1941年12月5日苏军转入反攻之际。也就是说，严冬气候只是在苏军转入反攻时起到一定作用，而残酷的莫斯科阻击战却是在并不太冷的气候条件下进行的。
1812年，拿破仑率领60万士兵入侵俄罗斯，最后只落得50000人逃回法国。100多年后的1941年12月16日，希特勒发布了一道死命令：“不许后退！”“坚守阵地至最后一名士兵战死！”并威胁说，如果溃逃将枪毙负有责任的师长。希特勒的强硬态度起到了一定的作用，但最终没有阻止德军撤离。第4集团军参谋长布鲁门特里特在《致命决策》一书中写道：“希特勒已经意识到，部队在雪地上的撤退将导致整个战线的崩溃，我们的军队将重蹈拿破仑军队的覆辙。”