היטלר העריך שהזמן בשל לעבור לשלב הבא של תוכניתו הגדולה - כיבוש ברית המועצות – למרות היסוסי הפיקוד העליון של הצבא הגרמני. כיבוש ברית המועצות היה הכרחי, לתפיסתו, משום שהיא הייתה עתידה להיות חלק ממרחב המחיה של העם הגרמני במזרח. בנוסף, הוא היה מתוסכל מכישלון תוכניתו להכניע את בריטניה (הקרב על בריטניה), והאמין, בדומה לנפוליאון בשעתו, כי הכנעת ברית המועצות תגרום להנהגה הבריטית להבין שאין טעם להמשיך במלחמה נגד גרמניה הנאצית. היטלר (בניגוד לדעת חלק מהפיקוד העליון של הוורמאכט) היה משוכנע שהכנעת ברית המועצות תהיה קלה יחסית, בעקבות הטיהורים שביצע סטלין בצמרת הפיקוד של הצבא האדום, והביצועים הירודים שהוא הפגין במהלך מלחמת החורף ב־1940.
ביוני 1940, בעקבות ניצחון הבזק של גרמניה במערכה על צרפת (שהפתיע לחלוטין את ההנהגה הסובייטית), הועבר המשק הסובייטי לעבודה במצב חרום, וחלק גדול מהמשאבים של ברית המועצות הופנו לחיזוק הצבא האדום באמצעות ייצור מואץ של נשק כבד וציוד צבאי. הצבא האדום עבר אף הוא תהליך מואץ מאוד של התעצמות ומודרניזציה. בספטמבר 1939 הוא כלל כ־130 דיוויזיות, כמעט כולן דיוויזיות חי"ר או פרשים. עד דצמבר 1940 גדל כוחו ל־206 דיוויזיות, ש־28 מתוכן היו דיוויזיות טנקים ודיוויזיות ממונעות, וערב הפלישה הגרמנית כלל הצבא האדום 303 דיוויזיות (81 מתוכן בתהליך הקמה), כולל 92 דיוויזיות טנקים ודיוויזיות ממונעות. כ־170 דיוויזיות נפרסו באזורים שסופחו לברית המועצות אחרי ספטמבר 1939, במרחק של עד 400 ק"מ מהגבולות המערביים של ברית המועצות, במסגרת מרחב ההגנה האסטרטגי הראשון. הפלישה הגרמנית תפסה את הצבא האדום באמצע תהליך הארגון מחדש.
תוכנית המתקפה הגרמנית.
המטה הכללי הגרמני החל בתכנון המתקפה על ברית המועצות ביולי 1940, זמן קצר לאחר השלמת כיבוש צרפת וארצות השפלה על ידי הוורמאכט. העבודה על תכנון הפלישה לברית המועצות הואצה בדצמבר 1940, לאחר שהוראה מספר 21 של היטלר קבעה כי הכוחות המזוינים הגרמניים צריכים להיות מוכנים לכיבוש ברית המועצות ולהכרעת הצבא האדום במבצע צבאי מהיר. בתוכנית נקבע כי יש להשלים את המבצע תוך 17 שבועות בלבד, לא רק כדי להקדים את תחילת "החורף הרוסי", ולהימנע מהצורך לנהל מערכה צבאית בתנאי אקלים קשים, אלא גם בגלל מגבלות המשאבים, שעמדו לרשות הצבא הגרמני.
קציני המטה הכללי, שהגו את תוכנית המתקפה, שנקראה בתחילה "מבצע אוטו", הציעו שהמתקפה על ברית המועצות תבוצע על ידי שלוש קבוצות ארמיות: קבוצת הארמיות המרכזית תעקוף את ביצות פריפיאט מצפון ותתקדם ישירות לעבר מוסקבה, קבוצת הארמיות הצפונית תתקדם לעבר לנינגרד דרך המדינות הבלטיות, ואילו קבוצת הארמיות הדרומית תתקדם לעבר קייב מדרום פולין ומרומניה, ותכבוש את אוקראינה. הדרג העליון של הפיקוד הגרמני עבד על תוכנית זו במשך ארבעה חודשים, במהלכם נבחנו תוכניות המערכה בשורת משחקי מלחמה, אך היטלר לא היה מרוצה. הוא הזכיר למפקדי צבאו את גורל המערכה שניהל נפוליאון ברוסיה ב־1812, כאשר הצבא הצרפתי כבש את מוסקבה, אך לא הצליח להשמיד את הצבא הרוסי, או להשתלט על המשאבים הכלכליים של רוסיה, ובסופו של דבר נחל תבוסה ניצחת והושמד כמעט לחלוטין.
בראשית דצמבר 1940 החליט היטלר לשנות את תוכנית המתקפה על ברית המועצות, והציע לקרוא למבצע המתוכנן בשם "מבצע ברברוסה", על שמו של פרידריך ברברוסה, קיסר האימפריה הרומית הקדושה במאה ה־12. במסגרת הנחיה מס' 21 של הפיהרר מה־16 בדצמבר נקבע, שבשלב הראשון של המערכה, יתמקד הצבא הגרמני בהשמדת כוחות הצבא האדום מערבית לנהרות דנייפר ודווינה בשורת מבצעי כיתור, ולא יאפשר להם לסגת לעומק שטח ברית המועצות. התוכנית שמה דגש גם על השתלטות מהירה על המשאבים הכלכליים (תבואה, נפט, פחם ועפרות ברזל) ועל אזורי התעשייה העיקריים של ברית המועצות. הפלישה לברית המועצות נועדה להתבצע על ידי שלוש קבוצות ארמיות, בהתאם לתוכנית המקורית, אך הוחלט שכיבוש מוסקבה יתבצע בשלב מאוחר יותר של המערכה. קבוצת הארמיות המרכזית תכתר ותשמיד את כוחות הצבא האדום בביילרוסיה, אך לאחר שתגיע לסמולנסק, היא תפנה צפונה, תחבור לקבוצת הארמיות הצפונית, ותסייע לה לכתר ולחסל את כוחות הצבא האדום באזור הבלטי, לכבוש את העיר לנינגרד ולהשמיד את הצי הבלטי הסובייטי. במקביל, קבוצת ארמיות דרום, תנהל מערכת כיתור ענקית באזור אוקראינה, במטרה לכתר ולהשמיד את הכוחות הסובייטיים ממערב לנהר דנייפר.
בשלב השני של המערכה, שיתבצע רק לאחר השמדת הכוחות העיקריים של הצבא האדום במערב ברית המועצות, תמשיך קבוצת הארמיות הדרומית להתקדם מזרחה במטרה להשתלט במהירות על אזור דונבאס, מרכז מכרות ותעשייה כבדה חשוב, ולאחר מכן על שדות הנפט הסובייטיים באזור הקווקז. במקביל יתקפו קבוצות הארמיות המרכזית והצפונית את העיר מוסקבה, המרכז הפוליטי של ברית המועצות וצומת מסילות ברזל מרכזי. המתכננים הגרמנים העריכו, שהאיום על מוסקבה ימשוך למערכה את העתודות האחרונות של הצבא האדום ובכך יבטיח את השמדתו המוחלטת. לאחר כיבוש הבירה הסובייטית יתקדם הצבא הגרמני לקו העובר מארכנגלסק בצפון עד לאסטרחן בים הכספי. מקו זה יוכלו המפציצים הגרמניים להשמיד, או לכל הפחות לשתק, את מפעלי התעשייה הסובייטיים באזור הרי אורל, האזור התעשייתי המשמעותי האחרון של ברית המועצות. הפיקוד הגרמני הניח, שלאחר השמדת עיקר כוחו של הצבא האדום והשלמת ההשתלטות על המשאבים הכלכליים והתעשייתיים במערב ברית המועצות, לא תוכל ברית המועצות להמשיך במלחמה לאורך זמן.
מועד הפלישה.
תאריך היעד הראשון לפלישה לברית המועצות נקבע ל־15 במאי, אך שורת אירועים באזור הבלקן בצירוף התארכות עונת הגשמים במזרח אירופה ושורת בעיות לוגיסטיות גרמו לדחייתו. בראשית מרץ 1941 החלו יחידות של כוח משלוח בריטי לנחות ביוון במטרה לסייע בהגנה עליה מפני איטליה הפשיסטית (שניסתה ללא הצלחה לכבוש את אלבניה מידי היוונים החל מאוקטובר 1940). במקביל נחלה מתקפת האביב האיטלקית באלבניה כישלון חרוץ, וב־27 במרץ התחוללה ביוגוסלביה הפיכה צבאית פרו־בריטית, שהדיחה את הממשלה הפרו־גרמנית ששלטה במדינה זו, והעבירה אותה למחנה בעלות הברית. ההתפתחויות הללו, והאיום שהן יצרו על שדות הנפט הרומניים בפלויישט (שסיפקו חלק ניכר מתצרוכת הנפט הגרמנית) גרמו להיטלר להורות באופן מיידי על כיבוש יוגוסלביה ויוון במטרה לאבטח את אגפו הדרומי בבלקן לפני הפלישה לברית המועצות.
ב־6 באפריל תקפו כוחות גרמניים חזקים, תחת פיקוד פלדמרשל וילהלם ליסט, את יוגוסלביה ויוון ממספר כיוונים, במסגרת "מבצע מריטה", בסיוע צבאות בולגריה, הונגריה ורומניה. ב־17 באפריל נכנעה יוגוסלביה, וב־23 בחודש השלימו הגרמנים את כיבוש יוון בשורה של מבצעי בזק. אף על פי שהמבצע ארך שבועיים בלבד, והושלם במחיר אבדות קלות לצד הגרמני, הוא היה אחד הגורמים לשיבוש לוח הזמנים המתוכנן של מבצע ברברוסה.
התרעות מודיעיניות ביחס למתקפה הגרמנית.
במהלך החודשים שקדמו לפלישה הנאצית לברית המועצות, הגיעו אל סטלין התרעות רבות ממקורות שונים, על המתקפה הגרמנית הצפויה. החוקר בארטון וילי טוען, שבחודשים שקדמו למלחמה הגיעו אל הקרמלין לא פחות מ־84 התרעות רציניות ביחס לפלישה הצפויה.
בין התרעות הבולטות ממקורות מודיעין חיצוניים היו:
בנוסף לכך קיבל סטלין התרעות רבות מהמודיעין הצבאי הסובייטי (ה־GRU) על קיום ריכוזי כוחות גרמניים גדולים באזורי הגבול, טיסות סיור רבות שביצע הלופטוואפה מעל השטח הסובייטי, והעברת מרבית יחידות הצבא הגרמני ממרכז ומערב אירופה למדינות הגובלות בברית המועצות.
סטלין לא פסל את האפשרות שגרמניה הנאצית תתקוף את ברית המועצות, אך הוא האמין שניתן יהיה לדחות את פרוץ המלחמה לפחות עד אביב 1942, וניסה להרוויח זמן באמצעות ניהול מדיניות פייסנית, ולעיתים אף מתרפסת כלפי גרמניה (מדיניות המזכירה במידה מסוימת את מדיניות בריטניה וצרפת כלפי הנאצים בשנים שקדמו לפרוץ מלחמת העולם השנייה), כולל משלוח כמויות גדולות של תבואה וחומרי גלם חיוניים למאמץ המלחמה הגרמני. הוא היה מודע היטב לחולשת הצבא האדום ולחוסר הניסיון הקרבי והמיומנות המקצועית שלו (שנחשפו במהלך מלחמת החורף כנגד פינלנד), והבין שהוא עדיין אינו מסוגל להתמודד מול הוורמאכט בתנאים שווים. לכן הוא היה זקוק לזמן נוסף כדי לבנות מחדש את צבאו, לצייד אותו באמצעי לחימה מודרניים, ולבצר את הגבולות החדשים של ברית המועצות, שהיו מרוחקים מאות ק"מ מקו הביצורים שנבנה לאורך הגבולות הישנים.