1941年9月末，蘇德戰爭已經進入關鍵階段，為了順利攻擊蘇聯首都莫斯科，德軍發起了"颱風作戰"計劃。雖然蘇軍頑強抵抗，可依然節節敗退，第1道防線維亞茲馬防線被攻克，90多萬蘇軍被殲滅。10月中旬，德軍接著攻擊第2道防線——莫日埃斯克防線。

在朱可夫的指揮下，蘇軍的抵抗也更加頑強了，雙方發生了多次激戰。這時，德軍的進展開始變慢，攻擊力明顯下降。10月下旬，古德里安的裝甲叢集追擊從布良斯克突圍出來的蘇軍殘部。11月初，陸續有外地的援軍趕到了莫斯科，加入到了抗擊德軍的戰鬥中。

11月中旬，著名的紅色間諜佐爾格，給斯大林發來了絕密的情報，日本不會在1942年之前進攻蘇聯。斯大林馬上命令遠東部隊緊急增援莫斯科，遠東地區蘇軍27個精銳師，9個裝甲旅，攜帶精良的裝備，急行8000多公里趕赴莫斯科參戰。這些軍隊攜帶著全套的保暖裝備，裝甲車輛使用了防凍潤滑油，是一隻適合雪地作戰的部隊，它成了改變莫斯科戰局的關鍵力量。

11月13日，德陸軍總參謀長哈爾德在中央集團軍群總部召開了會議，釋出了第2次攻擊莫斯科的作戰命令：要德軍三個裝甲集團軍群，分三路圍攻莫斯科。古德里安的裝甲部隊，終於突破了圖拉防線，可攻擊力越來越弱。莫斯科的嚴寒天氣到來了，接連下了幾場大雪，這給了德軍致命打擊，凍死凍傷計程車兵更是不計其數。

到了11月底，德軍距離莫斯科最近的時候，一度抵達莫斯科西郊，可是很快就被打了回去。各個方向的進攻都被蘇軍遏制，傷亡人數高達15萬，強弩之末的狀態特別明顯，軍隊計程車氣非常低落。蘇軍則相反，特別是來自遠東的援軍，戰鬥力很強，蘇軍統帥部認為反擊的時機已經到來了。

此時，蘇軍總兵力大約110萬，而德軍總兵力有170萬，看起來德軍的實力比蘇軍高出了很多。可是，連續作戰的疲憊，莫斯科的嚴寒、後勤補給嚴重不足，這些情況都大幅度削弱了德軍的戰鬥力。12月5日，莫斯科的氣溫驟然下降到了零下40度，真正的嚴寒到來了，這給了缺乏保暖準備的德軍致命一擊。蘇軍的西方面軍，也瞅準了這個時機，展開了全方面的反擊。12月6日，感覺形勢不妙的古德里安率軍主動撤出了圖拉，蘇軍收復了圖拉。

第2天希特勒被迫下令，蘇德戰場的德軍全面轉入防禦態勢，德軍因為一直處於進攻的態勢。既沒有構築防禦陣地，也沒有預備隊援軍，在蘇軍凌厲的反擊面前，德軍全面敗退，蘇軍在幾天之內連續收復了多個城市。

到了12月16日，莫斯科西北重鎮加里寧被蘇軍收復了。就在這一天，希特勒嚴令德軍堅守陣地，禁止後退。因為他已經意識到，德軍一旦在冰天雪地裡大規模撤退，將很快演變成整個戰線的崩潰。100年前拿破崙入侵俄國的潰敗慘劇將會重演。

為了保證他的命令得到貫徹實施，希特勒不但把陸軍總司令勃勞希契的職務給撤銷了，還把名將古德里安在內的一批將領給撤職了，只是為了阻止德軍的撤退。事實上，正是希特勒的堅持，才使得德軍避免了全線崩潰的命運。德軍開始有秩序的後撤，並將之前的各個補給點作為抵抗蘇軍反擊的據點。

到了1月初，德軍被驅離莫斯科100~250公里，才逐漸穩定下來。由於蘇軍大規模的進攻經驗不足，摩托化部隊太少，才沒有把德中央集團軍群主力給圍殲，只是打了一場擊潰戰。到了1月初，莫斯科戰役基本結束了，德軍第1次遭到了重大戰略失敗。蘇德戰爭由德軍擅長的運動戰和閃電戰，變成了消耗戰。

以德國的國力，要和蘇聯這樣國土龐大、資源豐富的敵人打消耗戰，是極其不利的。在這場戰役中，德軍傷亡50多萬人，其中凍死凍傷的人數超過了10萬。此外，德軍還損失了坦克1300輛，火炮2500門，汽車1.5萬多輛，這一下打破了德軍不可戰勝的神話。納粹德國遭到了沉重一擊，特別是戰場態勢，從閃電戰到消耗戰的改變，對德國極其不利。

蘇軍傷亡大約在百萬，雖然損失遠遠超過了德國，可是，蘇聯軍隊的恢復和裝備補充能力遠在德國之上。一批一批的預備役兵員進入了部隊，讓蘇軍的總體實力快速得到了恢復，一大批軍官在戰爭中成長了起來，成了對抗德軍的中堅力量。德軍之所以敗落，主要有兩大因素，一是莫斯科的嚴寒到來，給了德軍重重一擊。二是來自遠東西伯利亞的20多萬精銳援軍，一舉改變了莫斯科城下的力量對比。