הסברים שונים נתנו להתעלמותו של סטלין מההתרעות הרבות ביחס לפלישה הגרמנית הקרובה. נראה שההסבר העיקרי הוא שסטלין שכנע את עצמו שהיטלר לא יעז לפתוח במלחמה נגד ברית המועצות לפני 1943, או לפני שיכניע את בריטניה. סטלין נפל קורבן להונאה עצמית, והמציא בעקביות הצדקות רציונליות להערכותיו השגויות ביחס לכוונותיו של היטלר. הוא נטה לפטור חלק גדול מההתרעות המודיעיניות, במיוחד ההתרעות שהגיעו ממקורות מודיעין בריטיים, כניסיון של ההנהגה הבריטית לסכסך בין ברית המועצות לגרמניה הנאצית, ולגרור אותן למלחמה שתשרת את האינטרסים של בריטניה. מאותה סיבה הוא גם מנע מהפיקוד הבכיר של הצבא האדום לבצע מהלכים שעלולים היו להתפרש על ידי הצד הגרמני כצעדים עוינים, ומנע מכוחות הצבא האדום באזורי הגבול לשנות את הערכותם ולבצע הכנות מקדימות חיוניות להדיפת המתקפה הגרמנית. ידוע אף על מספר מקרים בהם יחידות הצבא האדום נמנעו מלהשיב אש למקורות הירי הגרמניים בשעות הראשונות של הפלישה הגרמנית, עקב ההוראות החמורות שקיבל הפיקוד הסובייטי באזורי הגבול, להימנע בכל מחיר מכל פעולה, העלולה לספק לנאצים עילה למלחמה.
החודשים הראשונים של הפלישה הגרמנית (יוני-ספטמבר 1941).
הפיקוד הגרמני הקצה לצורך הפלישה לברית המועצות שלוש קבוצות ארמיות – קבוצת ארמיות דרום (בפיקוד גרד פון רונדשטט), קבוצת ארמיות מרכז (בפיקוד פדור פון בוק) וקבוצת ארמיות צפון (בפיקוד וילהלם פון לב). קבוצת הארמיות דרום וצפון כללו כל אחת "קבוצת פאנצר" (עוצבה בסדר כוחות של ארמיית שריון) אחת, ואילו קבוצת ארמיות מרכז קיבלה שתי קבוצות פאנצר תחת פיקודה. בסך הכול השתתפו בפלישה 190 דיוויזיות גרמניות, פיניות, הונגריות ורומניות, עם 24 דיוויזיות נוספות בעתודה.
בשעה 03:15 (שעון גרמניה) ב־22 ביוני 1941 פלשו כארבעה מיליון חיילים של מדינות הציר לשטח ברית המועצות. ההתקפה הגרמנית הפתיעה לחלוטין את ההנהגה הפוליטית הסובייטית (בראשות סטלין) ואת פיקוד הצבא האדום באזורי הגבול (אף על פי שהקצינים הבכירים במטכ"ל הסובייטי, ובראשם גאורגי ז'וקוב, היו מודעים להכנות הגרמניות למתקפה על ברית המועצות, ולריכוזי הכוחות הגרמניים באזורי הגבול).
מיד לאחר הפלישה הגרמנית כוחות הצבא האדום במערב ברית המועצות אורגנו מחדש במסגרת חמש חזיתות: החזית הצפונית, החזית הצפון־מערבית, החזית המערבית, החזית הדרום־מערבית והחזית הדרומית.
חיל האוויר הסובייטי הושמד ברובו בשלבים הראשונים של הלחימה (בשעות הראשונות של הפלישה הושמדו כ־1,200 מטוסים על הקרקע), והצבא האדום חסר הניסיון התקשה להתמודד עם הטקטיקה החדשה של הבליצקריג, שהופעלה על ידי הגרמנים באותה יעילות קטלנית בה הופעלה בצרפת ובמקומות אחרים. יחידות סובייטיות רבות לחמו עד הסוף, אך ההתנגדות הסובייטית לא הייתה מאורגנת, ומערך הפיקוד והשליטה של היחידות באזורי הגבול קרס כבר בשעות הראשונות של הפלישה. הפיקוד הסובייטי ניסה לעצור את ההתקדמות הגרמנית באמצעות התקפות נגד של כוחות העתודה שלו, אך אלו הוטלו למערכה טיפין טיפין, ללא מידע מדויק לגבי מיקום האויב וללא סיוע אווירי וחוסלו ללא קושי על ידי הכוחות הגרמניים המתקדמים. בניגוד לדיוויזיות הפאנצר הגרמניות המנוסות והמאומנות היטב, עוצבות השריון והעוצבות הממונעות של הצבא האדום הוקמו ברובן המכריע פחות משנה לפני הפלישה הגרמנית, ונמצאו עדיין בהליכי התארגנות. הן כללו אמנם מספר גדול של טנקים (למעלה מ־90 אחוז מהם טנקים קלים), אבל חסרו אמצעי תובלה ומערכת תמיכה לוגיסטית מינימלית, ופעלו כמעט ללא סיוע של יחידות חיל רגלים ממונע וארטילריה ניידת (כולל תותחי נ"ט), עובדה שהפכה אותם טרף קל לתותחי הנ"ט הגרמניים. חלק ניכר מהטנקים כלל לא השתתפו בלחימה, עקב בעיות טכניות ומחסור בדלק ובתחמושת, וננטשו במהלך הנסיגה. כתוצאה מכך, בחודש הראשון של המלחמה איבד הצבא האדום כ־90 אחוז מהטנקים שעמדו לרשותו במחוזות הצבאיים המערביים של ברית המועצות.
קבוצת ארמיות צפון התקדמה במהירות רבה דרך המדינות הבלטיות – ליטא, לטביה ואסטוניה – והערים פסקוב ונובגורוד אל עבר מטרתה – העיר לנינגרד. כוחותיה חצו את נהר דווינה כבר ב־26 ביוני, והגיעו לנהר לוגה ב־14 ביולי. קבוצת ארמיות מרכז התקדמה אף היא במהירות מזרחה, לאחר שכיתרה והשמידה את רוב כוחות החזית המערבית בקרב ביאליסטוק־מינסק, כבשה את כל שטח בלארוס, חצתה את נהר הדנייפר וכבשה את סמולנסק, תוך שהיא מכתרת מאות אלפי חיילים סובייטיים בסדרה של תנועות מלקחיים. קבוצת ארמיות דרום כבשה שטחים נרחבים בצפון־מערב אוקראינה, והשמידה שתי ארמיות סובייטיות במהלך קרב אומן, אך התקדמותה הייתה איטית יחסית, משום שחלק גדול מהכוחות הסובייטים שהוצבו באזורי הגבול רוכזו בגזרה הדרומית של החזית, והיא נאלצה להדוף שורת התקפות נגד רבות עוצמה, שהנחיתו עליה כוחות שריון סובייטים.
בשלושת השבועות הראשונים של הפלישה הגרמנית הייתה ההתקדמות הגרמנית מהירה ביותר, אך לקראת המחצית השנייה של חודש יולי היא הואטה מאוד, ובאזורים מסוימים אף נעצרה לחלוטין. בחזית הצפונית נבלמו הכוחות הנאציים, כשהגיעו אל קו לוגה המבוצר, כ־200 ק"מ ממערב ללנינגרד. בחזית המרכזית הצליח הצבא האדום לעצור את התקדמות קבוצת ארמיות מרכז ממזרח לסמולנסק, באמצעות הטלת כוחות עתודה חזקים למערכה. הסיבה העיקרית להאטת ההתקדמות הגרמנית, הייתה הבעיות הלוגיסטיות שנבעו מעצם ההתקדמות המהירה מאוד של כוחותיו הממונעים – התארכות קווי האספקה, ובלאי מואץ של כלי הרכב. בנוסף לכך, יש לזכור שהצבא הגרמני לא היה ממונע במלואו. חלקו הגדול הורכב מדיוויזיות רגלים, שנעו בעיקר ברגל, ואמצעי התובלה העיקרי שעמד לרשותם היו סוסים. דיווזיות הרגלים נזקקו לזמן רב כדי להדביק את התקדמותם של קבוצות הפאנצר, בהן רוכזו דיוויזיות הפאנצר והדיווזיות הממונעות, וכדי לטהר את השטחים העצומים שנכבשו מכוחות צבא סובייטיים גדולים, שנותקו על ידי ההתקדמות הגרמנית המהירה.
בראשית אוגוסט חידשו הגרמנים את התקדמותם בחזית הדרומית והצפונית. קבוצת ארמיות דרום בסיוע כוחות רומניים והונגריים חצתה את נהר הדנייפר וכבשה חלק גדול משטח אוקראינה הדרומית. קבוצת ארמיות צפון איגפה את "קו לוגה", הגיעה עד לפרברי לנינגרד והשלימה את כיתור העיר, בה נלכדו כשלושה מיליון אזרחים. אולם בחזית המרכזית נבלמה לחלוטין התקדמות קבוצת ארמיות מרכז, והתקפות הנגד הסובייטיות גרמו לגרמנים אבדות ניכרות. ההתקדמות הגרמנית לכיוון מוסקבה חודשה רק בסוף ספטמבר.
בחודשים הראשונים של המלחמה עשתה ההנהגה הסובייטית מאמץ אדיר להעביר את מרכזי התעשייה, שהיו בסכנת כיבוש, אל אזורים מרוחקים במזרח ברית המועצות האירופאית ובסיביר. שינוע אלפי מפעלי התעשייה, על מיליוני העובדים שלהם והמכונות שלהם, באמצעות רכבות, למרחק מאות ואלפי ק"מ, והקמתם מחדש מהיסוד בחורף 1941–1942, היה מבצע אדיר ממדים, שרק משק ריכוזי כמו המשק הסובייטי היה מסוגל לבצע. הוא הצריך מאמצים וקורבנות עצומים ממיליוני האנשים שנטלו בו חלק. מבצע העברת התעשייה מזרחה הצליח להציל חלק גדול מהתעשייה הסובייטית, שרובה הגדול רוכז לפני המלחמה באזורים המערביים של ברית המועצות, והיה אחד הגורמים העיקריים לניצחון ברית המועצות במלחמה. אגן הוולגה, אוראל, מערב סיביר וקזחסטן החליפו בשנות המלחמה את אוקראינה, ביילרוסיה ורוסיה המערבית כמרכזי המזון והתעשייה של ברית המועצות. במחצית השנייה 1942 כבר הצליחה ברית המועצות לייצר הרבה יותר כלי נשק כבדים (טנקים, מטוסים וארטילריה) מגרמניה הנאצית, אף על פי שהמשאבים התעשייתיים של כל מדינות אירופה הכבושה שירתו את מאמץ המלחמה הגרמני.
לאחר פחות מחודשיים של לחימה, נדרש היטלר לקבל החלטה אסטרטגית לגבי המשך המערכה נגד ברית המועצות. לפיקוד הגרמני היה ברור, שלא ניתן להמשיך לתקוף לכל אורך החזית, ויש להחליט היכן יש לרכז את המאמץ הצבאי העיקרי, ולאיזה חזית יש לתת עדיפות. חלק ממפקדי הוורמאכט לחצו על היטלר לרכז את המאמץ בחזית המרכזית, כדי לכבוש את מוסקבה לפני בוא החורף, אך היטלר החליט לבסוף לדבוק בתוכנית המקורית של "מבצע ברברוסה", ולדחות את כיבוש מוסקבה לשלב השני של המערכה. הוא האמין שכיבוש אוקראינה, אסם התבואה ומרכז התעשייה הכבדה של ברית המועצות, חשוב יותר, וטען שהפיקוד הצבאי הגרמני אינו מבין בשיקולים כלכליים.
היערכות הכוחות הסובייטיים בצפון מערב אוקראינה לקראת קרב קייב חשפה אותם לסכנת כיתור. התעקשות הפיקוד הסובייטי לא לנטוש את קייב, בירת אוקראינה, וההתקדמות הגרמנית המהירה בדרום אוקראינה, יצרו בליטה גדולה בקו החזית באזור קייב. היטלר הורה להפנות חלק מכוחות קבוצת ארמיות מרכז, כולל קבוצת הפאנצר ה-2 בפיקוד היינץ גודריאן והארמייה השנייה, דרומה כדי לכתר את הכוחות הסובייטים באזור קייב מצפון. סטלין סירב להענות לכל בקשות הפיקוד הצבאי המקומי לפנות את בליטת קייב לפני סגירת טבעת הכיתור הגרמני, וכתוצאה מכך ב־18 בספטמבר הושלם כיתורן של ארבע ארמיות סובייטיות באזור קייב, ולאחר חיסול הכוחות המכותרים, הגרמנים לקחו בשבי למעלה מחצי מיליון שבויים. השמדת כוחות הצבא האדום במרחב קייב איפשרה לצבא הגרמני להשלים בקלות יחסית את כיבוש אוקראינה המזרחית כולה, כולל העיר חרקוב, שנכבשה על ידי הנאצים בסוף אוקטובר 1941 במסגרת קרב חרקוב הראשון, והיוותה אסון צבאי וכלכלי לברית המועצות.