雖然因爲中央集團軍羣的軍隊調往西南集團軍羣參加基輔會戰而推遲了莫斯科戰役，但是在肌膚戰役結束的第一時間內，莫斯科戰役還是第一時間內開始，當時德軍對於能否攻佔莫斯科毫無懷疑，前期的閃電式的快速進攻時的德軍認爲蘇聯的首都也會像之前的那些我城市一樣，一戰而下，甚至在進攻前夕，德國國內的大小報紙的頭版頭條都已經擴了出來，準備登載德軍攻佔莫斯科的新聞捷報。
雖然德軍在剛開始因爲兵力不足進攻莫斯科受挫，但是這絲毫不影響德軍的心情和士氣，他們認爲在冬天到來之前拿下莫斯科是毫無問題的，德軍統帥部認爲莫斯科在政治和軍事戰略上具有重大意義，佔領莫斯科關乎整個戰爭之命運，德軍在攻佔斯摩棱斯克和基輔、推進至列寧格勒（今聖彼得堡）附近後，想在戰爭最初幾周內從行進間奪取首都的計劃以遭失敗，於是德軍準備了代號爲“颱風”的大規模進攻戰役。
計劃規定，以各坦克集團分別由杜霍夫希納、羅斯拉夫利、紹斯特卡等地域向東和東北方向實施3個強大突擊，割裂蘇軍防禦，並在維亞濟馬、布良斯克兩地域合圍殲滅西方面軍、預備隊方面軍和布良斯克方面軍，爾後以強大快速集羣從北面和南面包圍莫斯科，在步兵兵團實施正面進攻的同時，攻佔蘇聯首都，爲達此目的，德軍基本力量集中於斯摩棱斯克以東“中央”集團軍羣（司令爲博克元帥）地帶：“中央”集團軍羣轄第9（司令爲施特勞斯上將）、第4（司令爲克魯格元帥）、第2集團軍（司令爲魏克斯上將），坦克第3（司令爲霍特上將）、第4（司令爲霍普納上將）、第2集羣（司令爲古德里安上將），共74個半師，內14個坦克師和8個摩托化師，亦即約佔蘇德戰場步兵師總數的38%，坦克師和摩托化師的64%，陸軍由第2航空隊進行支援，進行這次計劃的“中央”集團軍羣總計約有180萬人，坦克1700輛，火炮和追擊炮1.4萬餘門，飛機1390架。
在德國軍隊即將進攻的時候，對蘇軍說來，情況異常複雜：當時許多企業被迫向東部地區疏散，因而蘇聯軍事經濟還不能夠充分滿足作戰軍隊對武器和技術兵器的需要，各戰線正在進行艱苦的防禦交戰，軍隊遭到嚴重削弱，此外，由於日本和土耳其兩國政府採取親希特勒方針，蘇軍統帥部不得不在遠東的蘇日、西亞的蘇土邊境屯紮重兵，最高統帥部大本營對莫斯科會戰的企圖是，依託有利地區建立縱深梯次配置的防禦，阻止德軍突向莫斯科，儘可能給德軍以大量殺傷，爭取時間，併爲反攻創造條件，爲實現這一企圖，大本營採取了必要措施，向莫斯科遠接近地派出了精銳部隊和兵團，但仍未能改變對蘇軍不利的兵力兵器對比。
截至9月底，西方面軍（司令爲科涅夫上將）轄第22（司令爲沃斯特魯霍夫少將）、第29（司令爲馬斯連尼科夫中將，12月爲什韋佐夫少將）、第30（司令爲霍緬科少將，11月爲列柳申科少將）、第19（司令爲盧金中將，10，11月爲博爾金中將，11月改編爲突擊第1集團軍）、第16（司令爲羅科索夫斯基中將）、第20集團軍（司令爲葉爾沙科夫中將）在奧斯塔什科夫、葉利尼亞西北寬達300餘公里的地區佔領防禦。
預備隊方面軍（司令爲蘇聯元帥布瓊尼）以第24（司令爲拉庫京少將）、第43集團軍（司令爲索邊尼科夫少將，10月爲阿基莫夫中將，11月爲戈盧別夫少將）在羅斯拉夫利方向100公里正面進行防禦，而將其餘第31（司令爲多爾馬托夫少將，10月爲尤什克維奇少將）、第49（司令爲扎哈爾金中將）、第32（司令爲維什涅夫斯基少將）、第33集團軍（司令爲奧努普里延科旅長，10月爲葉夫列莫夫中將）置於西方面軍後方謝利扎羅沃、多羅戈布日以東、斯帕斯傑緬斯克一線。
布良斯克方面軍（司令爲葉廖緬科上將）轄第50（司令爲彼得羅夫少將，10，11月爲葉爾馬科夫上校，11月爲博爾金中將）、第3（司令爲克列伊澤爾少將，12月爲普申尼科夫中將）、第13集團軍和1個集團軍級集羣，扼守布良斯克以西及其以南寬達300餘公里的地區。
總計在西面方向上的3個方面軍共有125萬人，坦克990輛，火炮和迫擊炮7600門，飛機677架，德軍人員比蘇軍多0.4倍，火炮和迫擊炮多0.8倍，坦克多0.7倍，作戰飛機多1倍，德軍不僅在數量上，而且在武器質量上也佔優勢，因爲當時蘇軍坦克和飛機有一半以上是舊式的，德軍在坦克、航空兵、反坦克炮兵、高射炮兵以及摩托化兵方面的優勢尤爲明顯。
根據“颱風”計劃，德軍第2裝甲集羣9月30日在布良斯克方向，第3、第4裝甲集羣10月2日在維亞濟馬方向相繼開始了進攻，儘管蘇軍進行了頑強抵抗，德軍仍然突破了防禦，蘇軍實施的反突擊雖然遲滯了德軍前進，但未能阻止其進攻，在維亞濟馬方向，西方面軍和預備隊方面軍在維亞濟馬方向和斯帕斯傑緬斯克方向進行了艱苦的防禦戰鬥。
10月3日佔領奧廖爾，10月4日，德軍奪取了斯帕斯傑緬斯克和基洛夫，10月5日奪取了尤赫諾夫，10月7日則進抵維亞濟馬地域，兩方面軍大部分軍隊在此陷入合圍，一直頑強抵抗到10月12，13日，牽制了德軍28個師，13日，蘇軍維亞濟馬集團大部被殲，被圍軍隊一部後來突出重圍，有的留在敵後開展遊擊鬥爭，布良斯克方面軍陷於戰役合圍的困境後也向後退卻，莫扎伊斯克防禦線成了莫斯科接近地上的主要抵抗地區。
在莫斯科海至卡盧加（戰線長230公里）一線，4個集團軍總共只有9萬人左右，這些兵力不足以在整個地帶建立堅固防禦，爲了改進軍隊指揮，西方面軍和預備隊方面軍於10月10日由大本營合編爲西方面軍，朱可夫大將任司令，複雜的情況要求從莫斯科疏散許多政府機關和最重要的企業，留下的企業生產軍用品；軍隊和勞動者在莫斯科近接近地構築新防禦地區，組建新的民兵師，使全城做好巷戰準備，等等，爲構築防禦工事動員了45萬首都居民，其中75%爲婦女，10月20日，國防委員會在莫斯科及其附近地域實行戒嚴，23日，蘇軍布良斯克集團大部被殲，德軍在維亞濟馬，布良斯克戰役中、俘虜蘇軍67.3萬人，莫斯科防空部隊同空中德軍空軍作了頑強鬥爭，10月間，德軍對莫斯科進行了31次空襲，共有2000架飛機參加，其中278架被擊落，只有72架闖入莫斯科上空，在數量和質量落後的情況下，蘇聯空軍圓滿完成了他們的使命。
10月月中，11月初，在莫扎伊斯克防禦地區展開的多次激烈戰鬥中，蘇軍對德軍優勢兵力進行了頑強抵抗，將其阻止於拉馬河、魯扎河、納拉河等地區，在加裡寧防禦戰役中也進行了同樣激烈的戰鬥，10月14日，德軍坦克突入了加裡寧，10月17日，以西方面軍右翼（第22、第29、第30、第31集團軍）爲基礎組成了加裡寧方面軍（司令爲科涅夫上將），德軍想從加裡寧向東南發展進攻並前出西北方面軍和西方面軍後方的企圖被粉碎，10月底，11月初，德軍坦克第2集團軍在圖拉方向的進攻也因最高統帥部大本營預備隊以及第50集團軍和圖拉市人民的英勇作戰而受阻。
德軍雖然對維亞茲馬，布良斯克戰役中消滅了大量的蘇軍有生力量，但隨着天氣的變冷德軍的攻勢銳減，道路異常泥濘，德軍於是被迫全線停止前進，以待大地封凍，德軍暫時的停進使蘇軍贏得了寶貴的喘息時間，到10月底，蘇軍最高統帥部開始抽回一些部隊作爲預備隊，使其得到必要的休息，新的預備隊也在源源不斷地趕到。
此時，蘇聯接到中國的談判消息，大喜之下，蘇聯果斷的撤出了在上次條約已經還給中國的領土，和日本對峙的軍隊除了原本自己境內的那些，在中國收回的領土境內的軍隊全部抽回，參加莫斯科會戰，這些兵力有五個步兵師和兩個裝甲師。
到了11月初德軍兵鋒距離莫斯科最近的地方之後不到70公里，這個時候，爲了鼓舞前線士兵的士氣，蘇聯毅然決定在紅場照常舉行閱兵，各地趕來的預備隊和前線撤下來休整的部隊，甚至都不到自己在幹什麼？根本就沒有進行彩排就被拉上了閱兵場，在分列式上那些剛從後方趕到莫斯科或者從前線撤下來的士兵穿戴破爛不堪，隊列走的也不齊，但是這種破釜沉舟的氛圍極大感染士兵，也極大提高了他們的士氣，站在主席臺上，斯大林拒絕了自己機要秘書給自己打傘的做法，身上穿的大衣已經完全被雪花給蓋住，在戰士們分列式結束後，斯大林整了整情緒，看着下面的士兵，他明白，蘇聯的生死存亡就在這一刻，甚至他的政治生命也在這一刻，對於自己的大清洗導致蘇聯軍隊戰鬥力低下，開戰以來一潰千里的情況，斯大林從來沒有後悔，如果重來，他還會這樣做，任何事情都沒有他的地位重要，斯大林站在話筒前深吸了一口氣大聲對下面的士兵說道：
“紅軍和紅海軍戰士們，指揮官和政治工作人員，男工和女工，集體農莊男女莊員，智力勞動者們，在敵人後方，暫時陷在強盜壓迫下的兄弟姐妹們，我們那些破壞德寇後方的光榮的游擊隊男女隊員們。
我代表蘇維埃政府和我們布爾什維克黨向你們致敬，並慶祝偉大的十月社會主義革命二十四週年。
......德寇背信棄義的進攻，及其強迫我們進行的戰爭，造成了威脅我國的危險，我們暫時失去了一些區域，敵人已經進犯到列寧格勒和莫斯科的門前，敵人指望在第一次打擊之後，我們國家立即屈膝投降，可是？敵人大大的失算了，我們的陸軍和海軍雖然遭到暫時的失利，但還是在全部戰線上英勇的擊退着敵人的攻擊，給敵人以嚴重損失，並且我們的國家，我們全國組成了統一的戰鬥陣營，以便我們陸軍和海軍一起實行粉碎德國侵略者，......
我國有過比現在處境更加危急的時日，試回憶1918年，我們慶祝十月革命週年紀念時的情況吧！當時我國四分之三的領土都落在外國武裝干涉者手中，我們暫時失去了烏克蘭、高加索、中亞細亞、烏拉爾、西伯利亞和遠東等地區，當時我們沒有聯盟者，沒有紅軍，，我們纔開始創建紅軍，，糧食不足，武器不夠，被服缺少，當時有十四個國家圍攻我國，可是我們不曾灰心，不曾喪氣，當時我們在戰爭的火焰中組織了紅軍，並把我國變成軍營，當時，偉大的列寧精神鼓舞了我們去進行戰爭反對武裝干涉者，結果怎樣呢？我們擊潰了武裝干涉者，收回了一切失地，並爭得了勝利。
......我們現在有同盟國與我們結成反對德國侵略者的統一戰線，我們現在有陷入希特勒暴政壓迫下的歐洲各國人民的同情和擁護，我們現在有精良的陸海軍挺身保衛祖國的自由和獨立，我們無論在糧食、武器或被服方面都不感嚴重的缺乏，我們全國，我國各族人民都一致支援我們的陸軍和海軍，幫助他們粉碎德國法西斯的侵略匪軍，我們的人員後備是無窮無盡的，現在偉大列寧的精神和他勝利的旗幟，也如二十三年前那樣，鼓舞我們去進行衛國戰爭。
我們能夠並且一定戰勝德國侵略者，這樣難道可以懷疑麼，敵人並不像某些驚慌失措的知識分子所形容的那樣厲害，鬼並不像人們所描述的那樣可怕，誰能否認，我們紅軍曾屢次把轟動一時的德軍擊得倉皇逃竄呢？如果不妄信德國宣傳家的誇張聲明，而去按照德國真實狀況來判斷，那就不難了解德國法西斯侵略者是處在大破產的面前，現在德國籠罩着飢餓和貧困，在四個月的戰爭中，德國損失了四百五十萬士兵，(說道這裡的時候斯大林選擇性忘記了他們自己損失了600萬的士兵，遠比得過流的血要嚴重）德國流血殆盡，他的人員後備正在窮竭，憤恨的精神不僅浸入到那些陷在德國侵略者壓迫下的歐洲各國人民中，而且浸入到感於戰爭結束無期的德國本國人民中，德國侵略者正在緊張其最後的力量，毫無疑義，德國決不能長久支持這種緊張局面，再過幾個月，再過半年，也許一年，，而希特勒德國就定會在其深重罪孽下破碎的，......
......陷在德國侵略者枷鎖下被奴役的歐洲各國人民都指望着你們，認定你們是他們的解放者，偉大的解放使命落到你們的肩上，要不愧爲這個使命的承擔者呵，你們所進行的戰爭是解放的戰爭，正義的戰爭，讓我們的偉大祖先亞歷山大-涅夫斯基、季米特里-頓斯科伊、庫茲馬-米寧、季米特里-波札爾斯基、亞歷山大-蘇沃洛夫、米哈伊爾-庫圖佐夫的英姿，在這次戰爭中鼓舞着你們吧！讓偉大列寧的勝利旗幟指引着你們吧！
爲完全粉碎德寇而戰，消滅德寇，我們光榮的祖國萬歲，我們祖國的自由和獨立萬歲！”
斯大林一口氣說完自己演講，在一片烏拉聲中，圓滿結束，在斯大林的演講結束後，那些參加閱兵的部隊就在各自指戰員的帶領下奔赴戰場，士氣旺盛的蘇軍的這些後援部隊打了德軍已經比較疲憊的部隊一個措手不及，在蘇軍毫無徵兆嫌棄的反擊之前，德軍手忙腳亂，部隊後撤了近50公里纔算穩住戰線，重新站穩腳跟，打退了蘇軍的這次反擊。
德軍雖遭重大損失，但仍圖奪取蘇聯首都，一定要在冬季到來以前攻佔莫斯科，德軍增調兵力，變更部署，用於進攻莫斯科的兵力有51個師，內13個坦克師和7個摩托化師，兵力優勢仍在德軍方面：人員比蘇軍多1倍、炮兵多1.5倍、坦克多0.5倍，個別方向（沃洛科拉姆斯克方向、圖拉方向）優勢還要大些，德軍的企圖依舊是擊潰蘇軍，合圍並佔領莫斯科。
蘇軍識破了德軍意圖，以預備隊和補充兵員加強了西方面軍，11月10日，布良斯克方面軍撤銷，所屬第50集團軍轉隸西方面軍，第3、第13集團軍轉隸西南方面軍，自11月17日起，加裡寧方面軍第30集團軍編入西方面軍，各方面軍受領命令扼守所佔領的地區，阻止德軍從西北和西南迂迴莫斯科。
11月15，18日，德軍經過調整和補充後，向莫斯科重新發起進攻，在加裡寧，索爾涅奇諾戈爾斯克防禦戰役和圖拉防禦戰役中，蘇軍阻止了沿克林，羅加切沃方向和圖拉、卡希拉方向分別實施主要突擊企圖從北面和南面迂迴莫斯科的德軍，德軍從最初幾天起就遇到了蘇軍頑強抵抗，潘菲洛夫少將、別洛博羅多夫少將、多瓦托爾少將和卡圖科夫上校等指揮的兵團官兵堅守陣地，首都保衛者們在“俄羅斯雖大，但已無處可退，後面就是莫斯科！”的口號下奮戰，寧死不退，德軍的進攻雖然犀利，但是依然無法形成突破，德軍的進攻已經乏力，蘇軍的大反攻正在醞釀，