عملية بربروسا
المرحلة الرابعة

المقالة الرئيسة: معركة موسكو
بعد الهزيمة في كييف فقد الجيش الأحمر تفوقه العددي على الالمان ولم يعد هناك جنود احتياط ليتم ارسالهم لميدان المعارك. للدفاع عن موسكو قام ستالين بتوزيع 800,000 رجل ضمن 83 فرقة عسكرية 25 منها كانت ذو تاثير أو على مستوى من الفعالية القتالية. في 30 سبتمبر 1941 بدأ الالمان بتنفيذ عملية تايفون وهي التوجه نحو موسكو، كان امام مجموعة جيش الوسط سلسلة من الخطوط الدفاعية أولها فيازما وثانيها موجايسك. بدأ الفلاحون الروس يفرون من الوحدات الألمانية المتقدمة ويحرقون محاصيلهم المحصودة ويقودون أبقارهم ويدمرون المباني في قراهم كجزء من سياسة الأرض المحروقة التي تهدف إلى منع آلة الحرب النازية من الإمدادات والمواد الغذائية اللازمة.
أولى الضربات التي فاجأت السوفيت كانت انقضاض جيش الپانزر الثاني العائد من الجنوب على أوريول والتي تقع على بعد 121 كـم (75 ميل) جنوب خط الدفاع السوفيتي الرئيس الأول. وبعدها بثلاثة أيام اندفعت وحدات الپانزر نحو بريانسك فيما قام الجيش الثاني بالهجوم من الغرب مطوقين بذلك الجيوش ال 3 وال 13 السوفيتية، إلى الشمال هاجم جيش الپانزر ال 3 وال 4 مدينة فيازما مطوقين 5 جيوش سوفيتية وهي 19 و20 و24 و32 وبذلك فان الخط الدفاعي الأول لموسكو قد تبعثر، هذا الجيب كلف السوفيت 663,000 اسير وبهذا أصبح العدد الكلي للاسرى السوفيت منذ بدأ الاجتياح 3 ملايين جندي وماتبقى للسوفيت هو 90,000 رجل و 150 دبابة للدفاع عن موسكو.
أعلنت الحكومة الألمانية توقعاتها بالإستيلاء الوشيك على موسكو وحاولت اقناع المراسلين الأجانب بقرب انهيار السوفييت. في 13 أكتوبر تقدم جيش الپانزر الثالث مسافة 140 كـم (87 ميل) من العاصمة. وأعلن عن تنفيذ الاحكام العرفية في العاصمة موسكو. كان الطقس في تدهور مستمر منذ بدأ عملية تايفون مع انخفاض درجات الحرارة واستمرار هطول الأمطار محولا شبكة الطرق غير معبدة إلى وحل مما أدى إلى صعوبة الدبابات الألمانية في اجتيازها واصبحت تتقدم بواقع 2 ميل(3 كيلومتر) يوميا، في حين أن الدبابات السوفييتية T-34 لها مسار أوسع وملائمة أكثر للمرور على الوحل. فتدهورت الإمدادات بشكل كبير مما دفع القيادة العليا للجيش الألماني في 31 أكتوبر إلى وقف عملية تايفون مؤقتا وذلك لإعادة تنظيم الجيوش، هذا التوقف المؤقت اعطى السوفيت الوقت الكافي لتعزيز مواقعهم وتنظيم تشكيلات من الاحتياطين الناشطين حديثا. بفضل شبكة السكك الحديد التي يستخدمها الجيش الأحمر قام السوفيت بتنظيم 11 جيش جديد خلال فترة شهر أو أكثر ضمت 30 فرقة عسكرية من القوات السيبيرية تم استدعائها من الشرق بعدما اكدت أجهزة الاستخبارات السوفيتية لستالين انه ليس هناك خطر من اليابانيين. فوصل خلال شهري أكتوبر ونوفمبر 1941 أكثر من 1,000 دبابة و 1,000 طائرة إلى جانب القوات السيبيرية للمساعدة في الدفاع عن المدينة.
مع تصلب الأرض بسبب الطقس البارد استأنف الألمان هجومهم على موسكو في 15 نوفمبر. وعلى الرغم من أن القوات نفسها قادرة على التقدم مرة أخرى، إلا أنه لم يطرأ تحسن في وضع الإمدادات. فواجه الالمان 6 جيوش سوفيتية وهي الجيش ال 5 و16 و30 و43 و49 و50. لذا خطط الالمان في ان يقوم جيش الپانزر ال3 و 4 بعبور قناة موسكو ليقوموا باقفال العاصمة من الشمال الشرقي. بينما يتولى جيش الپانزر الثاني بالهجوم على تولا واغلاق موسكو من الجنوب. وعلى اثر ذلك يتحرك السوفيت للاطراف للدفاع عنها، عندها يقوم جيش الپانزر الرابع بالهجوم على وسط المدينة. وبعد أسبوعين من القتال المتواصل وبنقصان الوقود والذخيرة تمكن الالمان من الزحف ببطئ نحو موسكو. إلا أنه تم صد هجوم جيش الپانزر الثاني في الجنوب، حيث قامت الوحدات السيبيرية في 22 نوفمبر وبدعم من الجيشين 49 و50 بالهجوم عليه فألحقت الهزيمة به. ولكن مجموعة بانزر الرابعة تمكنت من دفع الجيش السوفيتي ال 16 إلى الوراء، ونجحت في عبور قناة موسكو وبدأت عملية التطويق.
تمكن جزء من فرقة المشاة ال258 في يوم 2 ديسمبر من التقدم مسافة 24 كـم (15 ميل) من العاصمة موسكو، وقد كانوا قريبين جدا بحيث أن الضباط الألمان ادعوا أنهم استطاعوا رؤية أبراج الكرملين. وتمكنت كتيبة الإستطلاع من الوصول إلى بلدة خيمكي على بعد حوالي 8 كـم (5.0 ميل) من العاصمة السوفيتية، فاستولت على الجسر فوق قناة موسكو-فولغا وأيضا على محطة السكك الحديدية، وعد ذلك أقصى تقدم للقوات الألمانية إلى الشرق. وعلى الرغم من التقدم المحرز إلا أن تلك الفترة يكون موسم العواصف الثلجية قد بدأ وبدأت معه معاناة الفيرماخت الذي لم يكن مجهزا للخوض في معارك شتوية وإن كان الجيش السوفيتي أكثر ملائمة للقتال في ظروف الشتاء وإن واجههم نقص الإنتاج من الملابس الشتوية. ولكن تبقى القوات الألمانية هي الأسوأ في المعاناة مع الثلوج العميقة التي تعوق المعدات والحركة. وتسبب الطقس السيئ بتقويض فعالية سلاح الجو الألماني (اللوڤتڤاف)، مما منع العمليات الجوية واسعة النطاق. ووصل عدد الوحدات السوفيتية التي انشئت حديثا بالقرب من موسكو أكثر من 500,000 رجل، مما جعلها تقوم بهجوم مضاد هائل ضد الألمان يوم 5 ديسمبر، وتوقف الهجوم في 7 يناير 1942 بعد دفع الجيوش الألمانية العودة مسافة 100-250 كم (62-155 ميل) من موسكو. وبدا أن الفيرماخت قد خسر معركة موسكو. فعملية اجتياح الاتحاد السوفيتي كلفت الجيش الألماني أكثر من 830,000 رجل.