Chiến dịch Barbarossa
Diễn biến chiến dịch > Chiến dịch phòng ngự-phản công Moskva

Bài chi tiết: Trận Moskva, 1941
Sau khi bao vây Leningrad và làm suy yếu nghiêm trọng các Phương diện quân Bryansk, Tây Nam và Nam của Liên Xô, ngày 3 tháng 10 năm 1941, Cụm tập đoàn quân Trung tâm (Đức) bắt đầu triển khai tấn công Moskva trên hướng Oryol - Tula. Ngày 5 tháng 10, tuyến phòng ngự chủ yếu của Phương diện quân Dự bị (Liên Xô) bị chọc thủng tại Yukhnov. Bộ tư lệnh Cụm tập đoàn quân Trung tâm nắm trong tay các tập đoàn quân dã chiến 2, 4, 9; các tập đoàn xe tăng 2, 3, 4 (mới được điều từ Cụm tập đoàn quân Bắc đến) tiến hành chiến dịch tổng công kích vào Moskva, thực hiện kế hoạch "Typhoon" (Bão táp) do đích thân Adolf Hitler phê chuẩn. Trong Chỉ thị số 35 của mình, Hitler nói: "Phải bao vây Moskva sao cho không một tên lính Nga, không một người dân - dù là đàn ông, đàn bà hay trẻ con- có thể ra khỏi thành phố. Mọi mưu toan tẩu thoát đều phải đàn áp bằng vũ lực."
Chỉ trong tuần lễ đầu tiên, với ưu thế vượt trội cả về quân số và trang bị, lại được nắm thế chủ động, quân Đức đã hoàn tất 2 trận vây hãm lớn tại Bryansk và Vyazma, tạo một lỗ hổng lớn trước thủ đô Liên Xô nhưng do những trận mưa mùa thu khiến đà tiến của Đức bị chậm lại. Thống kê sau 2 tuần, quân Đức đã tiêu diệt hoặc bắt được 650.000 binh sĩ Liên Xô, phá hủy 5.000 pháo và 1.200 xe tăng và thiết giáp của quân đội Liên Xô.
Đầu tháng 11 năm 1941, sau khi chọc thủ phòng tuyến của Phương diện quân Tây tại tuyến Dukhovshchina - Sychyovka - Volokolamsk; của Phương diện quân Dự bị tại tuyến Roslavl - Yukhnov - Maloyaroslavets; của Phương diện quân Bryansk tại tuyến Shostka - Mtsensk - Plavsk - Dedilovo, sáu tập đoàn quân Đức đã áp sát Moskva từ các hướng Tây, Tây Bắc, Tây Nam. Tại kênh đào Yakhroma, lính Đức đã có thể nhìn thấy những tòa tháp của nhà thờ Ivan Velikii trong khu vực điện Kremly qua ống nhòm. Nhưng đây là vị trí gần Moskva nhất mà quân đội Đức Quốc xã có thể tiến đến được. Ngày 7 tháng 11, tại Quảng trường Đỏ diễn ra cuộc duyệt binh lịch sử. Trong cuộc duyệt binh này, lãnh tụ Liên Xô Stalin đã đọc nhật lệnh kêu gọi quân đội và nhân dân bảo vệ Thủ đô. Các đơn vị bộ binh, xe tăng, pháo binh Liên Xô sau khi diễu binh qua Lăng Lenin đã thẳng tiến ra mặt trận. Đà tiến công của quân đội Đức Quốc xã đã bị quân đội Liên Xô chặn đứng.
Đầu tháng 12 năm 1941, một số đơn vị Đức lâm vào thế "chết đứng" do thiết giáp không thể vận hành dưới cái lạnh khủng khiếp. Những lực lượng tiên phong không được chuẩn bị cho mùa Đông và cũng không có dự trữ. Ngày 4 tháng 12, tập đoàn quân xe tăng 2 của Guderian phải dừng lại khi nhiệt độ là -35 độ, hôm sau nhiệt độ xuống thêm 2 độ nữa và xe tăng hầu như bất động trong khi quân đội Liên Xô liên tục phản kích hai bên sườn và uy hiếp phía sau cánh quân này từ hướng Tula.
Từ ngày 30 tháng 11 đến ngày 5 tháng 12 năm 1941, Cụm tập đoàn quân Trung tâm của Đức đã chịu những thiệt hại rất nặng nề tại Mặt trận Moskva, không còn đủ sức tấn công và phải chuyển sang phòng ngự nhưng không kịp. Ngày 5 tháng 12, các Phương diện quân Tây Bắc (cánh Nam), Kalinin (mới thành lập), Tây, Bryansk, Tây Nam (cánh bắc) của Liên Xô đồng loạt phản công từ Ostashkov, qua Klin, Naro-Fominsk, Tula đến Efremov và Yelets. Bộ Tổng tư lệnh quân đội Đức Quốc xã hoàn toàn không ngờ lại có chuyện như vậy. Các tập đoàn quân dã chiến 4, 9, các tập đoàn quân xe tăng 2, 3 của Cụm tập đoàn quân Trung tâm (Đức) bị thiệt hại nặng và bị đánh bật khỏi Moskva, có nơi đến hơn 250 km. Chiến dịch "Bão táp" của quân đội Đức nhằm đánh chiếm Moskva bằng một trận hợp vây đã phá sản, kéo theo sự phá sản của toàn bộ Kế hoạch Barbarossa.