德军方面1941年6月22日，小胡子与其盟友入侵苏联，使苏联及苏联红军领导层大吃一惊。
德军以闪电战战术快速深入苏联领土。装甲部队以钳形方式推进，先孤立然后彻底摧毁苏联红军。
德军北方集团军群向列宁格勒推进，南方集团军群则征服乌克兰和高加索高地，而中央集团军群则向莫斯科进发。苏联红军的防线很快便崩溃，死伤枕藉。
1941年8月上旬，德军攻占斯摩棱斯克，是通往莫斯科路上一个重要据点，但斯摩棱斯克的战斗阻碍了德军的攻势直到9月中旬，有效地瓦解了闪电战的战术。
其后，古德里安的装甲部队到达莫斯科外围，但元首的命令，他转向南方去支持龙德施泰特指挥的南方集团军群对乌克兰首府基辅的攻击。1941年9月，德军在攻占白俄罗斯的首府明斯克和乌克兰的基辅后，集中兵力向苏联首都莫斯科发动进攻。
自1941年7月起，苏联政府征用民工在莫斯科以西两道防线上急如星火地构筑工事。民工中有四分之三以上是妇女。前一道防线称做维亚兹马防线。
它的最北端在奥斯塔什科夫以东约三十英里处，据瓦尔代山不远，中间穿过维亚兹马以西地区，最南端在基洛夫以南，全长二百余英里。
后一道防线叫莫日艾斯克防线，在莫斯科以西约八十英里，自沃洛科拉姆斯克至提赫文，长约一百六十英里。
此外，在莫斯科以西还有四道弧形防线。同时，苏联从中亚，远东抽调兵力保卫莫斯科。（由于确切情报得知日本在远东地区认定的主要对手是美国而不是苏联，所以苏联方面朱可夫元帅从远东地区调集大量部队巩固首都莫斯科的防御）
另外，苏联还使用坦克伏击战，这是由卡图科夫首次提出的，主要在姆岑斯克附近进行的。事实证明坦克伏击战还是很有用的，卡图科夫为巩固图拉防线赢得了时间，并削弱了古德里安对莫斯科南部的攻势。
之后，德苏战场就陷入了焦灼的态势。
1941年10月9日，莫斯科防线指挥部获得了新组建的5个机枪营、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。
而原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激烈战斗中，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
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，部队沿最短的路径开路，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，还将汽车漆成白色，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。
保暖衣服和白色伪装服都不足，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，情形则恰好相反。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，他们的枪炮套上了保暖套，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。
苏联在危急时刻进行了历史上规模最大的工业转移计划，转移的设备、物资超过100万节车皮，同时从西伯利亚、中亚、远东地区调来了25万的精锐预备队，以朱可夫大将为核心重组了西方面军的部队和防线，组织大量妇女修筑防御工事，并派出大量携带炸药和地雷的工兵分队破坏德军后勤补给线。
苏联红军对德军进行了殊死抵抗，涌现出了许许多多英雄人物和名言，比如“苏联虽大，但已无路可退，背后就是莫斯科”
1941年11月7日，在德国迫近莫斯科之时，苏联依然按时组织了红场阅兵，这是历史上最著名的阅兵之一，受阅部队在阅兵结束后直接开赴前线。
包括斯大林在内的主要苏联领导人坐镇莫斯科以表明坚守首都的决心。1941年12月6日，苏联发起反击，突破德军防御并将其击退200-300公里，莫斯科会战以苏联胜利而结束，德军损失了50多万人和大量的技术装备，这也是不可一世的德国陆军在二战中第一次受到重大损失，希特勒“三个月灭亡苏联”的狂言彻底破灭。莫斯科局势得以稳定
1941年冬天，苏联红军在各条战线上发动冬季攻势。在南部，苏联红军越过刻赤海峡，在克里米亚半岛登陆；
在北部，苏联红军试图解列宁格勒的围并且歼灭包围列宁格勒的德军和收复迭米扬斯克。但是由于苏联红军准备仓促不足，指挥失当，这两个方向的攻势均以失败告终，苏联红军损失巨大。
1942年5月，苏联又在准备不足的情况下，发起第一次哈尔科夫战役，试图收复哈尔科夫，但被德军分割包围后歼灭。同时，曼施泰因指挥的德军席卷克里木半岛，攻克塞瓦斯托波尔要塞，并在刻赤战役中将红军彻底击溃。
经过这次会战，双方开始了僵局，苏军也终于打破了德国人民想要灭亡整个苏联的企图。
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