Tyskerne hadde framgang i de innledende fasene og møtte ikke sterk motstand før de sto rundt 120 kilometer fra byen. I begynnelsen av desember 1941 sto de tyske styrkene kun 30 kilometer fra Kreml. Skulle Moskva falle ville industribyen Kujbysjev bli Sovjetunionens nye hovedstad. På tross av framgangen var de tyske soldatene utslitt og manglet forsyninger, i møte med kraftig sovjetisk motstand. Den 5. desember ble de tyske styrkene angrepet av nymobiliserte styrker, samt uthvilte og veltrente sovjetiske styrker fra Sibir, godt rustet for vinterkrig. Disse styrkene hadde blitt trukket fra Sibir etter den sovjetiske agenten Richard Sorge fant ut at Japan ikke ville angripe Sovjet i øst. Utover vinteren måtte de tyske styrkene trekke seg tilbake 100 til 250 kilometer, og presset på byen avtok. Slaget om Moskva er vanligvis ansett som et av de viktigste i krigen på østfronten. Hovedstaden ble reddet og tyskerne for første gang slått i et av de største slag under krigen, med over en million døde totalt.