Die deutsche 9. Armee und Hoths Truppen bildeten während der Kesselschlacht bei Białystok und Minsk den nördlichen Zangenarm, der im Zusammenwirken mit dem südlichen Panzerkeil der Panzergruppe 2 zur Einkesselung der sowjetischen Westfront führte. Im direkten Anschluss trat die Panzergruppe 3 im Juli zur Kesselschlacht bei Smolensk an, in deren Verlauf der deutsche Vormarsch an der Dnepr-Düna-Linie zeitweise gestoppt wurde. Im September erfolgte eine Umgliederung in Vorbereitung auf die Wiederaufnahme der Offensivhandlungen mit dem Ziel, über Wjasma und Rschew auf Moskau vorzustoßen. Dabei wurde die Panzergruppe durch Abgaben anderer Armeen zeitweilig auf vier Korps verstärkt. In der Kesselschlacht von Wjasma (2.–16. Oktober) gelang der Durchbruch durch die sowjetischen Linien, worauf die Panzergruppe den Auftrag erhielt, auf Kalinin vorzugehen. Hoth war während dieses Angriffs zur 17. Armee abberufen und durch den General der Panzertruppe Georg-Hans Reinhardt abgelöst worden. Der deutsche Vormarsch blieb nun aufgrund des Beginns der Schlammperiode (Rasputiza) bis zum Einsetzen des Frostes Mitte November 1941 stecken. In der Schlacht um Moskau gelang der Vorstoß zum Iwankowoer Stausee und zum Moskau-Wolga-Kanal, bis die Anfang Dezember einsetzende Gegenoffensive der West- und Kalininer Front die Panzergruppe zum Rückzug zur Lama zwang.