A német támadás ugyan kifulladt, de a hadvezetés a hírszerzés adataira támaszkodva abban a hitben élt, hogy a szovjetek sem képesek jelentős támadó hadmozdulatokra. Ez azonban óriási tévedés volt. December elejére az újonnan felállított és az Orosz Távol-Keletről átvezényelt hadosztályok csak a támadási parancsra vártak. Az ellentámadás december 5-én indult meg, és teljesen megdöbbentette a végletekig kimerült németeket. A támadás második napján Hitler megtiltotta a visszavonulást, és elrendelte, hogy a katonák egy talpalatnyi területet sem adhatnak fel. A fanatikus védekezés ellenére a friss és jól felszerelt szovjetek folyamatosan szorították vissza a sokszor még nyári ruhában harcoló németeket. Az év végére súlyos harcok árán a Vörös Hadsereg 100–250 km-re vetette vissza az ellenséget. A Wehrmacht rengeteg katonáját vesztette el, ráadásul jelentős mennyiségű hadianyagot és a mozgásra képtelen járműveket is kénytelen volt hátrahagyni. Január elején az ellentámadás más szakaszokon is megindult, és a németeknek csak 1942 tavaszán sikerült stabilizálni a frontot. Ezt követően több mint egy éven át zajlottak a rzsevi csaták, mivel a Vörös Hadseregnek 13 hónapra volt szüksége, hogy – hatalmas emberveszteség árán – felszámolja a Rzsevnél kialakult kiszögelést és az ott koncentrálódó német ellenállást, amely kockázatot jelentett a Sztálingrád felszabadítására törekvő szovjetek számára.