根據「颱風」計劃，德軍第2裝甲集群在布良斯克方向，第3、第4裝甲集群1在維亞濟馬方向，相繼開始了進攻。儘管蘇聯紅軍進行了頑強抵抗，德軍仍然突破了防禦。德軍第2集團軍突破了蘇聯紅軍第50集團軍的防線，於1941年9月下旬奪取布良斯克。10月3日奧廖爾陷落。德軍沿著奧廖爾-圖拉的公路推進。莫斯科以西的維亞濟馬方向，西方面軍和預備隊方面軍進行了艱苦的防禦戰鬥。德軍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。13日，蘇聯紅軍維亞濟馬集團大部被殲，被圍軍隊一部後來突出重圍，有的留在敵後開展游擊鬥爭。布良斯克方面軍陷於戰役合圍的困境後也向後退卻，23日，蘇聯紅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聯紅軍58萬人。蘇軍只有85000人突出德軍防線。
但實際上，由於希特勒堅持中央集團軍在占領斯摩棱斯克後向北圍攻列寧格勒，向南進攻烏克蘭，導致了德軍在1941年9月30日才放下手來將目標瞄準莫斯科，這實際上為蘇聯鞏固莫斯科附近的防線贏得了時間。
在十月中旬，德國中央集團軍結束了對維亞濟馬一線的蘇聯紅軍的圍殲，此時朱可夫有抽調了一批新部隊，前往莫斯科。這時，秋雨季節開始了；泥濘的道路給兩軍都帶了不便，它在阻礙德軍進攻的同時也妨礙了蘇聯紅軍的防守，雙方的許多作戰車輛都陷入泥濘中了，還有部分車輛需要坦克拉出。（並不是某些資料說在十月初期下了大雪）
頑強抵抗
莫扎伊斯克防禦線成了莫斯科接近地上的主要抵抗地區，蘇聯最高統帥部採取了各種緊急措施來保衛首都。
1941年10月9日，莫扎伊斯克防線指揮部獲得了新組建的5個機槍營、10個反坦克炮兵團和5個坦克旅，這些部隊被重新編成了第5集團軍，由列柳申科將軍指揮。
1941年10月17日，為了改進軍隊指揮，西方面軍和預備隊方面軍合編為新的西方面軍，朱可夫大將任司令員。同日，根據朱可夫的建議，在西北方向上掩護莫斯科的西方面軍右翼部隊第22，29，30，31集團軍組建為加里寧方面軍，由科涅夫上將出任司令員，方面軍的指揮機關則在原第10集團軍司令部的基礎上改建而成。
朱可夫受命之後，著手在沃洛科拉姆斯克—莫扎伊斯克—小雅羅斯拉韋茨—卡盧加一線建立新的防線，並組建第二梯隊和方面軍預備隊。並想方設法抽調了14個步兵師、16個坦克旅和40多個炮兵團，迅速重建了第5、16、43、49四個集團軍，但總兵力依然只有9萬餘人。他還特別注意將富有作戰經驗的將領派到莫斯科的各主要方向上去。其中，羅科索夫斯基的第16集團軍開往沃洛科拉姆斯克，列柳申科的第5集團軍在莫扎伊斯克，葉菲列莫夫的第33集團軍在納羅福明斯克方向，43集團軍在小雅羅斯拉韋茨，49集團軍在卡盧加等地展開防禦。
莫斯科市民也被動員起來。在3天之內，組織了25個工人營，12萬人的民兵師，169個巷戰小組，發動60萬人圍繞莫斯科城修築起三道防禦工事，其中婦女的數量占了四分之三。到10月末，僅婦女兒童就構築了700公里反坦克塹壕，挖掘了300多萬立方米的泥土，修築了3800餘個臨時和固定火力點。處於防禦狀態的莫斯科城，被街壘、路壘、工事嚴密地封鎖起來，食品因此嚴重短缺。
10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，蘇聯紅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。莫斯科疏散許多政府機關和最重要的企業；
1941年10月20日，國防委員會在莫斯科及其附近地域實行戒嚴。當局命令居民在街道築起防禦工事，連克里姆林宮附近都不例外，組建新的民兵師，使全城做好巷戰準備。
1941年10月23日，葉廖緬科上將指揮的布良斯克方面軍剩餘部隊突出重圍，但古德里安的坦克集團依然緊追不捨，並於29日逼近莫斯科左翼重要軍工城市——圖拉。由於第50集團軍的紅軍戰士和圖拉民兵的堅守，德軍始終無法突破圖拉防線，這使得德軍的右翼大大延長，導致其在戰線中部無法以足夠的戰術密度作戰。
11月初，莫斯科蘇聯紅軍又得到了10萬人，300輛坦克，2000門火炮的補充。
1941年11月7日十月革命24周年閱兵式。當時納粹德國軍隊已經到達，為了提升國民及軍隊的士氣，史達林於1941年11月7日在紅場舉行閱兵典禮並發表著名演說，他說道：「我們的國家正在遭到入侵，全體蘇維埃公民和軍隊都要不惜用盡每一滴鮮血來保衛蘇維埃土地和村莊」。當天蘇聯所有廣播站都播放了這次演講。
而原本是在11月7日10點準時閱兵，但在後來提前至1941年11月7日的8點10分。這一次閱兵是有巨大意義的，蘇聯向全世界表明了戰鬥到底的決心。蘇軍隊伍在克里姆林宮前檢閱，然後直接開赴前線。蘇聯紅軍以預備隊和補充兵員加強了西方面軍。布良斯克方面軍撤銷。各方面軍受領命令扼守所占領的地區，阻止德軍從西北和西南迂迴莫斯科。
再次進攻
11月後，莫斯科地面的積雪近1米厚，為了不被德國空軍發現，部隊沿最短的路徑開路，而開路工具也是最簡單的，是馬拉壓路機，並設置了分流點，道路兩旁豎起了2-3米高的雪堆，還將汽車漆成白色，這樣便很難讓高空偵察機發現。
11月13日，德陸軍總參謀長哈德爾在中央集團軍群總部召開了各軍團參謀長會議，下達了「1941年秋季攻勢命令」。中央集團軍群為此共集中了51個師。擔任正面攻擊任務的是克魯格的第4集團軍；其左面是霍特的第3裝甲集團軍和霍普納的第4裝甲集團軍，其任務是分別從北方和西方包圍莫斯科；於是德軍第三，第四裝甲集群重新部署在靠近加里寧和沃洛科拉姆斯克的北線；他們的部隊繞開伊斯特拉水庫，占領了克林和索爾涅奇諾戈爾斯克。右面的古德里安的第2裝甲軍團則從南方向莫斯科包圍，他們突破了圖拉防線，但被一支蘇聯紅軍中隊拖了幾個小時。
蘇聯紅軍經過11月底-12月初的頑強防禦和多次反突擊，德軍突向莫斯科的最後企圖破產了。蘇聯紅軍雖然經常處在危急狀態，但終於堅持下來並消耗了德軍。僅1941年11月16日到12月5日這段時間內，德軍在莫斯科附近就死傷15.5萬餘人，損失坦克約800輛、火炮300門、飛機近1500架。
據說，霍普納推進了工程營摩托車兵，在1941年11月30日衝進一個距離莫斯科中心只有8公里的郊區，關於這件事，有一種說法是摩托車兵全部陣亡，另一種是說他們很快都撤退了。
1941年-1942年的冬季就算以俄國人的標準來看都異常地嚴寒。德軍因戰線過長，補給不足，戰役中消耗過大，既沒有設防禦陣地和戰役預備隊，又無在冬季條件下作戰的準備。11月上旬入冬，雖然道路能夠使用，但德軍的冬季裝備不足，由於認為在入冬前就能結束戰事。保暖衣服和白色偽裝服都不足，坦克和其它車輛都因為低溫而不能動彈。而蘇聯紅軍則士氣高漲。
對莫斯科的蘇聯紅軍而言，情形則恰好相反。來自西伯利亞的蘇聯紅軍早已習慣了寒帶生活，有著足夠的冬季作戰裝備，他們的槍炮套上了保暖套，塗上了防凍潤滑油；有足夠的棉衣、皮靴和護耳冬帽用來防寒。
到了1941年11月29日，德軍已成強弩之末，在各個方向上的進攻都已被遏制。此時朱可夫要求史達林將預備隊第10集團軍，第20集團軍和第1突擊集團軍轉隸給西方面軍。此時，蘇軍的實力是，總兵力110萬人，7652門火炮，774輛坦克，1000餘架飛機。德軍共有170萬人，13500門火炮，1170輛坦克，615架飛機。雖然德軍兵力要多於蘇軍，但由於其戰線過長，兵力分散，戰線並不穩固。
蘇聯紅軍轉入反攻並粉碎莫斯科城下德軍的條件已經具備。史達林任命華西列夫斯基中將擔任代理總參謀長，並命令他立即擬定反攻作戰計劃。蘇聯紅軍反攻的指導思想是，同時粉碎德軍「中央」集團軍群分別從北面和南面威脅莫斯科的最危險的突擊集團。反攻的基本任務賦予了西方面軍。加里寧方面軍和西南方面軍分別在其北面和南面實施突擊。
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