Mặc dù cả ba Phương diện quân của Liên Xô không chiếm ưu thế về binh lực so với Cụm tập đoàn quân Trung tâm của quân đội Đức Quốc xã: về người 1,1 triệu/1,7 triệu, về xe tăng 774/1.170 chiếc. G. K. Zhukov vẫn quyết tâm phản công. Ngày 1 tháng 12, ông đã chỉ đạo Phương diện quân Tây phối hợp với Phương diện quân Briansk và Phương diện quân Kalinin tiến hành chiến dịch phản công tại khu vực Moskva. Sau hai tháng phản công đã tiêu diệt 581.900 quân Đức, đánh bật quân Đức khỏi khu vực Moskva và các vùng phụ cận từ 100 đến 250 km. Đây là lần đầu tiên trong chiến tranh thế giới thứ hai, quân Đức bị đánh bại trong một trận đánh chiến lược, có quy mô lớn với hàng triệu quân mỗi bên tham gia. Sau trận này, Kế hoạch Barbarossa của nước Đức Quốc xã hoàn toàn phá sản. Trận đánh này đã củng cố niềm tin của liên minh chống phát xít toàn thế giới chống lại Hitler và các đồng minh trong phe Trục.