عملیات بارباروسا
مرحله سوم، نبرد مسکو

مقالهٔ اصلی: نبرد مسکو
پیش از پایان نبرد کی‌یف، روز ۶ سپتامبر هیتلر با صدور فرمان شماره ۳۵ پیشوا تهاجم بزرگ دیگری توسط گروه ارتش مرکز را برای اواخر سپتامبر کلید زد. آلمانی‌ها تصور می‌کردند همچنان امکان اجتناب از جنگ زمستانه وجود دارد و این تهاجم بزرگ در نهایت شوروی را به زیر خواهد کشید. تهاجم پاییزه ورماخت به مسکو تحت عنوان «عملیات تایفون» از ۲ اکتبر آغاز شد. هدف این عملیات که بخش عظیمی از لشکرهای متحرک ورماخت در جبهه شرقی نقش سرنیزه زرهی را در آن بر عهده داشتند، انهدام سه جبهه در حال محافظت از مسکو و سپس پیشروی و به محاصره درآوردن پایتخت دشمن بود. شمار لشکرهای زرهی گروه ارتش مرکز در این تهاجم به ۱۴ و تعداد لشکرهای موتوریزه آن به ۸ افزایش یافت تا به بزرگ‌ترین تمرکز قوای متحرک آلمان در طول جنگ جهانی دوم بدل شود. این گروه ارتش برای تهاجم به مسکو در مجموع قریب به دو میلیون نفر نیرو و ۱۲۰۰ تانک در اختیار داشت.
در طرف مقابل، جبهه‌های غربی، بریانسک و ذخیره ارتش سرخ، مجموعاً با توان ۱٫۲۵ میلیون نفر، مسئولیت دفاع از محور مسکو را بر عهده داشتند. خسارات پیشین یگان‌های متحرک این جبهه‌ها را به تنها ۱ لشکر و ۱۳ تیپ تانک مجموعاً با ۷۷۰ تانک و ۲ لشکر موتوریزه کاهش داده بود.
با آغاز تهاجم، نیروهای گودریان در گروه زرهی ۲ توانستند در عرض دو روز ۲۱۰ کیلومتر پیشروی کرده و به اریول برسند. سه ارتش جبهه بریانسک شوروی تا روز ۶ اکتبر به کمک ارتش دوم ورماخت به محاصره این مهاجمان درآمدند که به اسارت ۵۰ هزار نفر از نیروهای ارتش سرخ انجامید. روز ۱۰ اکتبر گئورگی ژوکوف توسط استالین به فرماندهی جبهه غربی منصوب گشت. بلافاصله، یگان‌هایی با توان ۹۰ هزار نفر از جایگاه ذخیره یا قسمت‌های دیگر به این جبهه منتقل شدند. روز ۱۷ اکتبر جبهه کالینین نیز با سه ارتش ایجاد گردید. با اتصال ارتش‌های سوم و چهارم زرهی ورماخت در شهر ویازما به یکدیگر ۴۵ لشکر شوروی در منطقه‌ای بسیار بزرگ در غرب این شهر به محاصره افتادند. پس از تصرف کالینین و کالوگا در ۱۸ اکتبر، پاکسازی این منطقه تا روز ۱۹ اکتبر منجر به اسارت ۶۷۳ هزار نفر دیگر از قوای شوروی گردید. بدین ترتیب، در طی دو محاصره در مناطق ویازما و بریانسک، ۷ ارتش از مجموع ۱۵ ارتش شوروی در محور مسکو منهدم شدند و ارتش سرخ قریب به یک میلیون نفر از قوا و ۸۳۰ تانک خود را از دست داد تا آلمانی‌ها به این باور برسند که تا این زمان به تمامی اهداف خود رسیده‌اند و رسماً اعلام پیروزی کنند.
ضربه سخت مرحله نخست عملیات تایفون به مدافعان شوروی، یک شکاف بیش از ۳۰۰ کیلومتری در بین مواضع آن‌ها در مقابل مسکو باز کرده بود. نزدیک شدن قوای ورماخت به پایتخت موجب به‌پا شدن هرج‌ومرج چند روزه در این شهر شد. استالین ۱۵ اکتبر فرمان به تخلیه گسترده مسکو داد. با وجود اینکه خود استالین همچنان در پایتخت بود، هزاران تن از ساکنان آن آواره شدند. روز ۱۸ اکتبر موژائیسک در ۱۰۰ کیلومتری مسکو به تصرف آلمانی‌ها درآمد. روز ۱۹ اکتبر «شرایط محاصره» در مسکو اعلام گردید.
فرایند پاکسازی مناطق تحت محاصره موجب کاهش سرعت عملیات تایفون گردید. در این زمان، بارش برف که از ۶ اکتبر آغاز شده و ۹ اکتبر با بارش مداوم و سنگین باران پاییزه (راسپوتیتسا) همراه گشته بود، نیز به شدت گریبان‌گیر مهاجمان گشت. این بارندگی بزرگ‌ترین مزیت آلمانی‌ها یعنی تحرک را از آن‌ها گرفت و بلیتس‌کریگ، رزم برق‌آسای ورماخت، را زمین‌گیر کرد. گل‌ولای حاصل از این بارندگی موجب فرورفتن و گیر کردن خودروها و ادوات اسب‌کشنده می‌شد. با وجود اینکه شرایط آب‌وهوایی مشکلات مشابهی برای نیروهای شوروی ایجاد کرده بود اما کاهش هرچه بیشتر سرعت مهاجمان و به‌خصوص بی‌تحرک گشتن تانک‌های آن‌ها، به نفع مدافعان تمام شد. در این اوضاع، تمامی حملات آلمانی‌ها به یورش‌های مستقیم پر خسارت بدل شده بود. مسیر پیشروی نیروهای زرهی و موتوریزه گروه ارتش مرکز به تعداد اندکی از راه‌های قابل تردد محدود شد که این مسئله به ارتش سرخ اجازه می‌داد منابع ناچیز خود را برکند ساختن آن‌ها متمرکز نماید. با این حال که آلمانی‌ها هر چهار شهر مستحکم دفاعی در مسیر مسکو شامل وولوکولامسک، موژائیسک، مارویاروسلاوتس و کالوگا را تا پایان اکتبر تصرف نموده بودند اما این نبردها موجب مستهلک شدن آرایش‌های رزمی و ته کشیدن ادوات زرهی آن‌ها گشت.
در این شرایط، عدم موفقیت نیروهای گودریان در دستیابی به شهر راهبردی تولا در ۳۰ اکتبر شکستی حساس به آلمانی‌ها وارد کرد. اوایل نوامبر و چند هفته پس از پایان کار در ویازما–بریانسک، ورماخت هنوز نتوانسته بود مسکو را تصرف نماید. در پی این اوضاع، بسیاری از افسران خواهان یک توقف عملیاتی به جهت رسیدن تدارکات و نفرات به خط مقدم و همچنین سفت شدن سطح زمین با نخستین یخبندان زمستانه به منظور پیگیری پیشروی بودند. بدین ترتیب، به دستور فیلدمارشال فن بک عملیات تایفون انتهای اکتبر متوقف شد. کاهش هرچه بیشتر دما از میانه نوامبر با وجود منجمد کردن گل‌ولای و تسهیل و افزایش سرعت پیشروی آلمانی‌ها، مشکلات دیگری پدیدآورد. عدم دریافت به موقع اقلام تدارکاتی نظیر ضدیخ برای خودروها و البسه زمستانی بار مشکلات آلمانی‌ها را تشدید ساخت. ارتشبد گودریان در خاطرات خود دمای هوا در روز ۱۲ نوامبر را ۱۵– درجه سانتیگراد، روز بعد آن ۲۲– درجه سانتیگراد و روز ۴ دسامبر ۳۵– درجه سانتیگراد و در کمترین میزان ۵۰– درجه سانتیگراد ثبت کرده‌است و اضافه نموده در این شرایط سربازان همچنان البسه سبک به تن داشتند.
تهاجم ورماخت با نیروهایی از رمق افتاده و منابعی اندک، از ۱۵ نوامبر مجدداً از سر گرفته شد. در حالی که ارتش چهارم ورماخت مسئول درگیر نگاه داشتن دشمن در مرکز خط مقدم بود، نیروهای زرهی می‌بایست مسکو را از شمال و جنوب به محاصره درمی‌آوردند. در جنوب، گودریان ۶۵ کیلومتر دیگر پیش رفت و ونیوف را تصرف نمود؛ در حالی که در شمال گروه زرهی ۳ ورماخت با پیشروی ۳۰ کیلومتری به کلین دست یافت. موفقیت تهاجم آلمانی‌ها وابسته به فروپاشی سریع دفاع شوروی بود اما ارتش سرخ با تحمل حملات دشمن، همچنان پایداری می‌کرد و با اجرای ضدحملات برخی دستاوردهای ورماخت را از بین برد.
تا اواخر نوامبر، عملیات تایفون به اندکی بیش از درگیری‌های پراکنده بدون انسجام راهبردی بدل گشت. رسیدن به مسکو آخرین ذخایر نیروهای ورماخت را نیز به پایان رساند. در این موقعیت، ورماخت در عمق ۱۰۰۰ کیلومتری اراضی شوروی متوقف شده و جنگِ تحرک آن در باتلاق‌های دروازه مسکو گیر کرد. روز ۱ دسامبر فیلدمارشال فن بک با ارسال پیامی به قرارگاه فرماندهی عالی نیروی زمینی، ضمن تشریح شرایط سخت نیروهای خود از جمله فرسودگی آن‌ها و کاهش شدید دما، از آن خواست یا برای او نیروی کمکی و تدارکات ارسال نموده تا به پیشروی ادامه دهد یا در غیر این صورت گروه ارتش مرکز وادار خواهد شد جهت دستیابی به خط مقدمی کوتاه‌تر و قابل دفاع‌تر عقب بنشیند. هالدر در پاسخ با وجود ابراز همدلی، از او خواست فشار خود بر دشمن را حفظ کند و به آن در شرایطی دشوار فرصت بازیابی ندهد. در این زمان، پیاده‌نظام ارتش چهارم در نارو-فومینسک در غرب شهر، ۷۰ کیلومتر و یگان‌های زرهی گروه زرهی ۴ در کراسنایا پولیانا در شمال شهر ۳۲ کیلومتر همچنان با مرکز مسکو فاصله داشتند.
در نوامبر، شوروی به کمک جاسوسان خود از قصد امپراتوری ژاپن در تهاجم به سمت جنوب و عدم تمایل آن به درگیر شدن با شوروی در شمال مطلع شد؛ بنابراین، استالین شروع به انتقال نیروهای ارتش سرخ از شرق روسیه به مناطق غربی کرد. در تمامی مدتی که سایر نیروهای شوروی در مناطق غربی متحمل شکست‌ها و خسارت فراوانی شدند، نیروهای خاور دور آن دست‌نخورده باقی مانده بودند. این نیروها در شرایط بد جوی آب‌دیده بودند و با تسلیح متناسب، به رزم در سخت‌ترین سرما عادت داشتند. در حالی که فرماندهی عالی نیروی زمینی آلمان تصور می‌کرد ارتش سرخ بدون داشتن ذخیره چندان، قادر به اجرای ضدحمله در برابر گروه ارتش مرکز نیست، ترکیب این قوا و آرایش‌های تازه تشکیل شده، تا انتهای نوامبر نیروی ذخیره‌ای با ۵۸ لشکر برای شوروی ایجاد نمود. در این زمان، با ضدحملات جزئی شوروی، ضعف آلمانی‌ها در برابر دشمن هویدا شد تا ضد حمله گسترده ارتش سرخ از روز ۵ دسامبر آغاز شود. شوروی در این ناحیه تانک و هواگرد کمتری نسبت به گروه ارتش مرکز ورماخت در اختیار داشت اما نیروهای آن تازه‌نفس و دارای تجهیزات مناسب زمستان و وضعیت تدارکاتی بهتری بودند. با مبارزه سنگین یک‌ماهه قوای ارتش سرخ موفق شدند دشمن را ۱۰۰ تا ۲۴۰ کیلومتر عقب برانند و پایتخت را از سایه تهدید آن‌ها خارج سازند.