כדי להבין את משמעות ההכנות למבצע יש להתחשב בצורה בה הפיקוד הגרמני ראה את הסובייטים. באוגוסט 1940 הוצג מחקר אסטרטגי שקבע כי לוורמאכט יידרש בין 9 ל-17 שבעות להשלים את המבצע. המחקר, שעליו התבססה פקודת המבצע, יצא מנקודת הנחה שלוורמאכט יהיה יתרון מספרי קל מול הצבא האדום, ויתרון איכותי רב. כמו כן עם כיבוש השטחים הארופאים של רוסיה, ילכדו רוב המתקנים התעשייתיים, ויכולת של רוסיה להתנגד תפחת. כל אלה לא התאימו למציאות, כיוון שלכוחות הרוסים היה יתרון מספרי עצום שלקח אמנם הרבה זמן לגייס, אך בניגוד לגרמניה לרוסיה היה יתרון תעשייתי גדול שהתפתח במהלך המערכה עם בניית מפעלים גדולים מעבר להרי אורל, אף על פי שלפני המלחמה מספר מהנדסים גרמנים ביקרו בחלק מהמפעלים הללו, דיווחיהם לא זכו להתייחסות רצינית. המבצע גם היווה את תחילתה של חזית שלישית בנוסף על החזית עם בריטניה והחזית הצפון אפריקאית, מה שהקשה על משאביה של גרמניה, שאף אחד לא יצא נגד הרעיון של המבצע, ומנהיגי הרייך לא השכילו לארגן את האספקה והכוח התעשייתי הדרוש לניהול מערכות מתמשכות, גורם חשוב במפלתה של גרמניה. תשומת הלב שניתנה לבעיה הלוגיסטית הייתה מועטה בשל ההערכה שמערכת פסי הרכבת ישמשו את הוורמאכט להובלת אספקה במהירות, עם זאת הובלת טכנאים לתיקון אותן פסי רכבת עמד בעדיפות אחרונה, מה שמצביע על הלך רוח אופטימי לגבי הבעיה. לגבי הלופטוואפה מרחביה העצומים של רוסיה היו בעיה גדולה לא פחות משאר הצבא, מה עוד שפעילותיו הנוספות של הלופטוואפה בקיץ 1940 וכן באביב 1941 לא השאירו לו זמן למנוחה, הצטיידות, אימון ושיפור, בניגוד לצבא שבקיץ 1940 לא ראה פעילות צבאית. המשימה שניתנה ללופטוואפה במבצע הייתה להביס את חיל האוויר הסובייטי ולאחר מכן להתרכז בתקיפות טקטיות כסיוע לכוחות הקרקעיים. מה עוד שהיטלר הורה לא להרוס מתקנים תעשייתיים כגון מפעלי תחמושת, עקב הביטחון כי אלה במהרה יכבשו וישמשו ליצור תחמושת לגרמנים.
העלייה בדרישות המבצעיות נפלו על חיל אוויר פעיל, אך כזה שספג אבדות רבות, ולא הצליח לשקם את עצמו בחורף. הסטטיסטיקה מראה כי סדר כוחות המפציצים ערב היציאה למבצע ברברוסה היה קטן ב-200 מטוסים מכמות המפציצים לפני תחילת המערכה במערב (אפריל 1940). הפיקוד העליון של הלופטוואפה ארגן את כוחות האוויר התוקפים לשלושה ציים אשר כל אחד מהם פעל בתאום עם קבוצת הארמיות שלהם, בהם 2,770 מטוסים, או כ-60 אחוז מכלל המטוסים המבצעיים של הלופטוואפה. מולם עמד חיל האוויר הסובייטי עם 8,000 מטוסים, 6,000 מתוכם מוצבי בחלק האירופאי של אדמתה. אך המפלה הראשונית של החיל הזה, כמו של כל הצבא האדום לאו דווקא נגרמה בגלל פיקוד גרמני מבריק, אלא בשל חוסר היכולת של הפיקוד הרוסי, שרוב קציניו הבולטים נרצחו בידי סטלין בטיהורים בין השנים 1937–1939. הגרמנים השתמשו בתחבולה מוצלחת כדי להסוות את תוכנית הפלישה לדוגמה: גיס האוויר ה-8 (Fliegerkorps VIII) הועבר מגרמניה למזרח פרוסיה רק ב-19 ביוני (שלושה ימים לפני יום הפלישה). אמנם הפיקוד העליון של הצבא האדום העביר אזהרה מפני פלישה בערב של 21 ביוני, אזהרה זאת הספיקה להגיע למספר מאוד מצומצם של יחידות בחזית, ולכן גורם ההפתעה היה מושלם.
המודיעין שהיה בידי הלופטוואפה ערב הפלישה נאסף על ידי מספר יחידות מודיעין אותות שנפרסו מפינלנד ועד בולגריה, וכן מטייסת ביון מיוחדת שביצעה כ-180 גיחות מעל השטח הסובייטי טרום המבצע בגבהים של כ-10,000 מטר. מתוך 2,000 שדות תעופה, שזוהו בשטחה האירופאי של ברית המועצות, רק כ-200 נחשבו למתאימים להפעלת מפציצים. הגרמנים זיהו כ-38 דיוויזיות אוויר ו-162 רגימנטים אוויריים בשטח בין הגבול הסובייטי לנהר הדנייפר, ההשערה הייתה כי חיל האוויר הסובייטי כלל סך הכול כ-50 דיוויזיות אוויר, כאשר למעשה החיל כלל 70 דיוויזיות אוויר ו-5 חטיבות אוויר.
הפלישה.
הפלישה הקרקעית אמורה הייתה להתחיל עם הזריחה, אך בשל העובדה שבסיסי חיל האוויר נמצאו מרחק ניכר מהחזית ידיעות על הפלישה יכלו להגיע לבסיסים אלה לפני שהמפציצים יכלו להגיע אליהם במקרה ומטוסי הלופטוואפה היו יוצאים לתקיפה באותו הזמן עם הכוחות הקרקעיים, לכן חלק ממפציציו יצאו מוקדם וטסו גבוהה מעל ביצות פריפט הלא מאוכלסת כדי להימנע מזיהוי בידי הרוסים והתקיפו את הבסיסים בזמן תחילת הפלישה הקרקעית, ההפתעה והבלבול שנגרמו מתקיפות אלה מנעו הזנקת המטוסים עד להגעתו של גל המפציצים הראשון שכלל כשני שלישים מכלל המטוסים המוקצים למבצע. המטוסים הרוסים שעמדו בשורות מסודרות, מפני שטייסותיהם לא היו מוכנות לפלישה, הקלו על העבודה ואבדותיהם היו גדולות מאוד. בצהרי 22 ביוני הרוסים כבר איבדו 529 מטוסים על הקרקע ו-210 מטוסים באוויר בחלק המערבי של החזית. לגבי כל החזית חיל האוויר הרוסי ספג 1,200 אבדות במטוסים בשמונה וחצי שעות הראשונות מתחילת הפלישה, לפי ההיסטוריה הסובייטית הרשמית חיל האוויר האדום סבל כ-800 אבדות במטוסים ביום הראשון.
חיל האוויר הרוסי ניסה ככל יכולתו לארגן את הכוחות הנותרים, אך הפיקוד של החיל איבד במהרה את יכולתו לנהל ולפקד על יחידותיו ופניות נואשות מהטייסות למפקדות ששודרו בתשדורות לא מוצפנות שנקלטו על ידי המודיעין הגרמני רק הדגישו את המצב הכאוטי בו החיל נמצא. יחידות המורכבות מצוותים לא מיומנים המצוידות במטוסים מיושנים שלא מתוחזקים כראוי לא הצליחו להתמודד עם הגרמנים גם אם אלה הצליחו להעלות את מטוסיהן לאוויר. רשומות ביומנו של ארהרד מילך מראות שהגרמנים רשמו לזכותם 1,800 מטוסים ביום הראשון, 800 ב-23 ביוני 557 ב-24, 351 ב-25 ו-300 ב-26. הוורמאכט שעט מזרחה בשלוש חזיתות ובאמצע יולי הוא הצליח להגיע לסמולנסק במרכז, וקייב בדרום. כאן הפך ההבדל בין רוסיה למרכז אירופה לבולט כאשר בשל המרחקים העצומים, חוסר בפסי רכבת ואי שמישותם של הפסים הקיימים וכן דרכים לא סלולות הקשו על האספקה להגיע ליעדה, והלופטוואפה היה צריך להתמודד עם חוסר בדלק וחימוש. גיס האווירי השמיני דיווח ב-5 ביולי שהמחסור שלו בדלק הוא חמור אפילו עם צמצום מספר הגיחות, וככל שהצבא המשיך להתקדם בעיות אלה העיקו יותר ויותר על הלופטוואפה. אך אותו גורם גם הקשה על הכוחות הקרקעיים שלעיתים דרשו שכוחות שדה של הלופטוואפה ישמשו חטיבות מסייעות כדי לעזור להן להתגבר על הבעיה. האבדות של הלופטוואפה החלו לצמוח לאט לאט, לדוגמה: בימים שבין 10 ל-21 באוגוסט גיס האוויר השמיני, שתמך בקורפוס הראשון שמשימתו הייתה לחסום את פסי הרכבת שבין מוסקבה ולנינגרד, איבד 10.3 אחוז ממטוסיו ונאלץ לקרקע 54.5 אחוז מהמטוסים לצורך שיפוץ, מבחינת כוח אדם האבדות הסתכמו ב-12.5 אחוז מתוכם 3.9 אחוז הרוגים, 5.7 אחוז פצועים ו-2.9 אחוז נעדרים. הגורם הזה הקשה על שיטת האספקה והאחזקה שתמכה בלופטוואפה, אף על פי שהוא מאפשר לטייסות לפרוס בזריזות לכל אתר, השיטה של הוורמאכט הגבילה את יכולתה של המערכת לספק תחמושת וחלפים, בשלהי הסתיו אחוזי השמישות של טייסות הלופטוואפה ירדו משמעותית והשפיעו לרעה על המוכנות של החיל ללחימה.
שלושה קשיים נוספים שהחלו לבלוט בתקופה זאת, הראשון הוא נ"מ הרוסי שהשתפר משמעותית עם הניסיון והפך את הטיסות בגובה נמוך למסוכנות במיוחד, מה שחייב את המפציצים הגרמנים לטוס גבוה יחסית, והעיק בעיקר על מטוסי השטוקה, והסב להם אבדות קשות. הקושי השני בו הגרמנים נתקלו היא כמות האספקה והמכשור שהרוסים הצליחו לייצר, חוסר במפציצים ארוכי טווח שיוכלו לפגוע במרכזי התעשייה החל לבלוט. הגורם השלישי היה הבהירות של התוכנית הגרמנית. למרות תמרונים מסוימים הפכה תנועת הכוחות העיקרית ברורה, כאשר קבוצת ארמיות צפון הייתה בדרכה ללנינגרד, קבוצת ארמיות מרכז בדרכה למוסקבה וקבוצת ארמיות דרום בדרכה לסטלינגרד. עם זאת, כשל הצבא האדום בעצירת הגרמנים וספג תבוסות כאשר כוחותיו אוגפו ונאלצו להיכנע. ב-30 בספטמבר החל מבצע טייפון, המתקפה הגדולה לעבר מוסקבה, בגיבוי 1,387 מטוסים. המבצע החל בהפתעה מוחלטת לרוסים שהעריכו שמפני שקבוצת ארמיות מרכז עצרה את תנועתה אחרי יולי, כמו כן הפניית הכוחות המשוריינים מקבוצה זאת לשתי הקבוצות האחרות שבזמן הזה הרסו את ההתנגדות בצפון והדרום וכן העונה מאוחרת מחווים על כך שהגרמנים לא מתכוונים להתקדם למתקפה במרכז. הכוחות הגרמנים התקדמו כה מהר עד כי השריון הגרמני הצליח להגיע לעיירה אוריול ב-3 באוקטובר, עוד לפני שהרוסים החלו את הנסיגה והרס המפעלים בה. ב-6 באוקטובר נכבשה העיירה בריאנסק והרוסים איבדו את יכולתם לפקד על כל אזור המרכז. אך למרות הצלחות אלה הבעיות של הגרמנים הפכו ליותר קשות, הגרמנים יצאו למבצע עם אספקה מינימלית וכאשר הם לבסוף הגיעו לפאתי מוסקבה הם היו כבר במחסור. בנוסף החל מזג אוויר קשה שהקשה על התקדמות הכוחות, ועל הלופטוואפה הקשה להוציא את מטוסיו לגיחות ביחד עם המחסור החמור שלהם באספקה, מספר הגיחות שהם הצליחו להוציא צנח מכ-1,000 גיחות לפני בוא מזג האוויר הקשה ל-599 גיחות ב-8 באוקטובר ול-269 ב-9 באוקטובר.