עם זאת, המצב הצבאי המשיך להיות קשה והכוחות הנאציים המשיכו בהתקדמותם. בראשית ספטמבר 1941 הטיל הצבא הגרמני מצור על לנינגרד. הניתוק מברית המועצות ומניעת העברת מזון וציוד גרמו לרעב המוני שבו נספו מאות אלפי אנשים. באוקראינה כותרו כוחות גדולים של הצבא האדום והושמדו. בראשית אוקטובר 1941 פתח הצבא הגרמני במתקפה על מוסקבה והגיע עד למרחק קצר מהעיר. ב-16 באוקטובר פרצה בהלה המונית במוסקבה, בעקבות שמועות על פריצת כוחות גרמניים לעיר. פקידים ממשלתיים ומקורבים לשלטון החלו להימלט ממוסקבה, והממשלה הסובייטית הועברה לעיר קויבישב, שממזרח למוסקבה. אך סטלין עצמו החליט להישאר במוסקבה, כדי להפגין את ביטחונו בכך שהעיר לא תיפול לידי הגרמנים, ותוך זמן קצר התייצבה החזית והתקדמות הצבא הגרמני הואטה ולאחר מכן נבלמה. מאות אלפים מתושבי מוסקבה גויסו למאמץ להקים ביצורים וטבעות הגנה מסביב לעיר ובתוכה, והפיקוד הסובייטי הזרים תגבורות חזקות לעזרת כוחות הצבא האדום במרחב מוסקבה. הדוגמה האישית שנתן סטלין, בסירובו לנטוש את מוסקבה, מילאה תפקיד חשוב בחיזוק כושר העמידה של תושבי מוסקבה וחיילי הצבא האדום שהגנו על העיר. ביום המהפכה (7 בנובמבר) בשנת 1941 נשא סטלין נאום, שזכה לכינוי נאום "רוסיה הקדושה" בתחנת הרכבת התחתית במוסקבה "מייקובסקי". לאחר מכן הוא סקר את המצעד, בו השתתפו אלפי חיילים וטנקים רבים, שחלקם הגיעו היישר מהחזית סביב מוסקבה, וחזרו ללחימה מיד לאחר מכן. בראשית דצמבר פתחו כוחות הצבא האדום באזור מוסקבה במתקפת נגד גדולה, הסבו מפלה קשה לקבוצת ארמיות מרכז הגרמנית, ואילצו אותה לסגת מאות ק"מ מערבה. הניצחון הסובייטי בקרב מוסקבה היה התבוסה המשמעותית הראשונה שספג הוורמאכט במלחמה, והיווה נקודות מפנה חשובה במערכה הצבאית בחזית המזרחית במלחמת העולם השנייה.