11月15日清晨，德军从北面、南面、西面对莫斯科发起了猛攻。
德军的总的战役计划是：第9集团军牵制加里宁方面军并进攻克林，从北面包围莫斯科；第2集团军牵制西南方面军并占领图拉，从南面包围莫斯科；第4集团军在西面消灭莫斯科附近的苏军。然后入南、北包抄，在莫斯科以东会师并完成包围，最后几个集团军同时配合，正面进攻，一举占领莫斯科。
在11月16日以后的几天里，形势对苏及其危险，德军不顾一切动用强大进攻力量。用坦克开路，对苏军实施沉重的打击，苏军的兵力显得非常薄弱。
虽然在前几天残酷的战斗中，苏军损失惨重，但他们却以顽强的抵抗阻止了德军向莫斯科的推进。在德军方面，虽然战线向前推进了，但是种种不祥之兆却弥漫在军队中。连续作战的疲惫和日渐寒冷的天气成为德军面临的两个大敌。最让德国士兵不安的是，由于战线过长，使得补给品奇缺，尤其是冬装非常缺少。在零下20多度的冰天雪地里，德军士兵只穿单薄的军服，冻得瑟瑟发抖，浑身僵硬。
从11月中旬起，其他战区的苏军相继展开了一些反攻，牵制了德军的兵力，支援了莫斯科方面的防御战。然而，虽然德军进攻受阻，但是对莫斯科的威胁仍未减轻。德军继续缓慢地向前推进，日益逼近莫斯科。
最高统帅部经过仔细的分析，通过了朱可夫的反攻计划。
在苏军大反攻前夕，苏德双方在莫斯科附近的兵力情况表明并不利于苏军：苏军有110万人、7652门大炮、274辆坦克、1000架飞机；德军共有170万人、1.3万门大炮、1170辆坦克、615架飞机。
但朱可夫分析，德军人数虽多，可战线拉得过长(长达1000公里)，两翼的突击部队相距200公里，兵力分散。而苏军则比较集中，可以集中局部地区的优势兵力打击敌人。
1941后12月6日早晨，朱可夫的西方方面军从莫斯科南、北两面开始了反攻，几乎在同一时期，友邻方面军积极配合，苏德双方展开了大规模的战斗。经过十天的激烈较量，使已经削弱和极度疲惫的德军遭受重大损失，他们不得不在在苏军压力下节节后退。
然而在苏军英勇无畏的进攻下，到12月底，德军已经山穷水尽、走投无路了。
在莫斯科会战中，朱可夫指挥的西方方面军歼敌50余万人，击毁或俘获1100辆坦克、2500门大炮、1.5万多辆汽车和其他装备。德军被击退了150～300公里，红军解放了1.1万个居民点，赢得了战役的全面胜利。
德军在莫斯科战役中的失败，是德国法西斯发动第二次世界大战以来所遭到的第一次大失败，它打破了希特勒“闪电战”不可战胜的神话，大大鼓舞了世界反法西斯主义的斗争。在此之后，德军的有生力量大大削弱，它在世界各地的侵略战争也终于开始走下坡路了。而苏军却得以进一步发展壮大，士气高昂。
朱可夫作为拯救莫斯科的英雄，在这场举世闻名的战役中名声大振，被斯大林称为“胜利的象征”。
6.争夺斯大林格勒
“闪电战”美梦的破灭，使德军无力在苏德战场上发动全面进攻，希特勒被迫采取重点进攻的战略，他把眼光盯上了斯大林格勒。
希特勒的如意算盘是先夺取斯大林格勒，占据这个重要战略要地和战略物资基地，然后由此北进莫斯科，对莫斯科形成夹击之势。
德军在苏德战场的南部部署了150万以上的兵力，其中“南方”集团军群共97个师，90万人，又分为A、B两个集团军群。
动用了1200辆坦克和强击火炮，1640架战斗机，于1942年6月28日发动了对斯大林格勒总攻。
为减轻斯大林格勒方面的压力，9月3日早晨，经过炮火准备，苏联第1集团发起了反攻，但是只前进了几公里就受到德军的有力阻击而被迫停了下来。
9月5日拂晓以前，如同朱可夫所估计的那样，斯大林格勒附近并没有发生特殊事件。按预先计划，9月5日早晨，苏军炮兵和航空兵开始火力准备，随之发起了攻击。但德的阻击仍很顽强，经过一天的交战，苏军进展甚微。
由于苏军这次大规模的反击，迫使德军把大坦克、炮兵和摩托化部队从斯大林格勒附近向北调动，从而延缓了攻击斯大林格勒的速度。
德军用在斯大格勒方向的兵力有50个多个师，其中用来直接攻击市区的有12个师，共17万人。他们拥有500辆坦克、1700门大炮和迫击炮。
苏军斯大林格勒方面军和东南方面军虽然合起来有120个师，但是人员编制严重缺额，许多师只有编制人数的20%到25%，有的只有800人。实际上负责防守市区和西南一带的主力第62和64集团军总共只有9万人、1000门大炮和近击炮、120辆坦克。在市区争夺战中，德军的兵力和武器上是占优势的。
9月13日至15日的3天，对交战双方来说，都是十分艰难的日子。争夺战中，德军在兵力和武器上是占优势的。
争夺市区的激战达到白热化的程度，全市的街道和广场变成了激烈的战场，有些重要据点被反复地争夺，第一火车站的争夺战持续了一周之久，曾13次易手。
德军不顾一切，一步步向市中心逼近。苏军似乎有些支持不住了，兵力每时每刻都在减少。但是苏军在斯大林格勒人民群众的支援和配合下，战斗意志无比坚强，只要德军一向前推进，就以顽强的阻击让他们付出沉重的代价。
在这场殊死的战斗中，值得一提的是苏军战士为保卫祖国的每一寸土地，表现出的那种可歌可泣的视死如归的英雄主义精神。苏军的顽强使得德军精疲力竭，一筹莫展。
战前，德军十分蔑视苏军在斯大林格勒的力量，但受到意想不到的痛击之后，他们就逐渐感到恐惧和悲观起来。
经过连续13天的战斗，德军在9月25日占领了市南和市中心的部分地区，并且前进到伏尔加河河南，几乎每一个渡口都被苏军强大的火力控制着，斯大林格勒变成了一个大战场，历史上规模最大的巷战在这里展开了。
朱可夫命令红军战士在任何情况下都要坚守城市，每一幢房屋，只要有苏联军人，哪怕只剩下一个人，也要成为敌人攻不破的堡垒。
为了适应战争形势，朱可夫下令在部队中组织新战斗单位——突击小组。
尽管炮火连天、弹片横飞，被炸毁的工厂却成了苏联人的抵抗中心。朱可夫在纷乱复杂的战争形势中，再次显示了他惊人的预见性。
他分析后认为：尽秋敌人暂时处于进攻，但苏联红军的顽强设防使他们很难完成既定目标，而随着时间的拖延，敌人的补给将越来越困难，恶劣的天气也将给他们造成极大的困难。
德军攻打斯大林格勒市区的战斗从9月13日开始，到11月18日结束，历时两个月。
朱可夫制定了“天王星”反攻计划；苏军从斯大林格勒西北部和南北两线向中心反攻，合围在那里的德军第6集团军和第4集团军。为了迷惑敌人，朱可夫又实施了一系列漂亮的伪装措施。10月中旬，当德军的进攻陷于停顿之时，斯大林格勒前线各方面军接到命令，停止开发具有攻势的作战行动，命令中详细地讲述了如何安排冬季的防御。如何构筑工事，如何在支撑点储备粮食、弹药等。与此同时，苏军正在秘密地把部队不断调往准备实施突击的方向。
德军情报机关上当了，他们坚信苏联军队不会发动反击。朱可夫以其高超的指挥艺术，使红军赢得了难得的战略主动。
1942年11月19日7时30分，隆隆的炮声宣告了西南方面军和顿河方面军进攻德军的战斗正式打响。苏军大反攻的序幕拉开了。
在斯大林格勒西北部，苏军西南方面军的3500门大炮直射德军阵地，然后以坦克和机械化部队为先导，突击德军的薄弱阵地。
面对苏军强大的攻击压力，德军陆军参谋长建议从斯大林格勒撤军，加强后方，巩固新前方，然后进攻发动突击的苏军。
但刚愎自用的希特勒听到撤军的建议暴跳如雷，驳回了德军陆军参谋长的建议。德国纳粹元首的顽固，给了朱可夫实施其战略计划的机会。
经过10余天的激战，到11月30日，苏军已完成了对德军共22个师33万人的合围，将其压缩在1500平方公里的范围内。
面对合围数量如此之大的德军，斯大林十分担心德军发起突围反攻，苏军会支持不住。