直接开赴前线。苏军以大量的预备队和补充兵员加强了西方面军的力量，同时将布良斯克方面军撤销。各方面军受领命令扼守所占领的地区，阻止德军从西北和西南迂回莫斯科12月13日开始，苏联的寒冷冬降临，随着大地封冻，德陆军总参谋长哈德尔在zhōng yāng集团军群总部召开了各军团参谋长会议，下达了“1941年冬季攻势命令”zhōng yāng集团军群为此共集中了51个师。担任正面攻击任务的是克鲁格的第4集团军，其左面是霍特的第3装甲兵团和赫普纳的第4装甲兵团，其任务是分别从北方和西方包围莫斯科；右面的古德里安的第2装甲军团则从南方向莫斯科包围。

11月14日，斯大林和沙波什尼科夫下达命令，让中械集团军进行反突击的命令。朱可夫是不同意这样作的，但斯大林急于想要振奋苏联军民的士气，再次不顾朱可夫的反对。

反突击是由罗科索夫斯基的第16集团军和扎哈尔金的第49集团军进行的，反突击的目标是沃洛科拉姆斯克地区和纳腊河下游地区的德军北翼和南翼。

这两个装备了先进中械武器的集团军战斗力提升很大，M28A3主战坦克碰上德军的三号、四号坦克以及俘获自苏军的T34等坦克后，几乎对这些坦克是一边倒的屠杀，德军第十七装甲师顿时遭到重创。

尽管苏军取得了局部战斗的胜利，但毕竟装备的中械武器太少，苏军亦不太适应中械装备，加上苏军以战略防御为主导思想，此举除牵制了克鲁格的部分兵力以外，对德军主力影响不大。德军很清楚苏军为了保护莫斯科侧翼，不敢贸然出击，所以避免跟其正面交战，而是迂回至其他方向继续进攻。

12月15日至18日，德军经过调整和补充后，向莫斯科重新发起进攻。德军在加里宁沿克林、罗加切沃方向和图拉方向分别实施主要突击企图从北面和南面迂回莫斯科。

12月17日，以斯大林为首的苏联最高统帅部下发了第0428号命令，该命令的目的是摧毁和焚烧前沿的所有居民区，开始焦土战争。

12月底，德军付出了巨大损失的代价，前出到莫斯科运河，攻陷加里宁。莫斯科附近的战斗变得越来越激烈，苏军派了无数新兵和自愿者，甚至一个个的妇女营也投入到德军的机枪炮火中。

苏军经过12月底到次年初的顽强抵抗和多次反突击战斗后，成功的阻止了德军占领莫斯科的企图。苏军虽然经常处在危急状态，但终于依靠倾国之财力物力，在付出巨大的伤亡代价后，终于坚持了下来并消耗了德军。

仅从12月16日到次年1月5日这二十天的战斗，德军在莫斯科附近就死伤超过15万余人，损失坦克约2800辆、火炮2300门、飞机近1500架。其中德军坦克大部分被苏军装备的中国造M28A3坦克和Z29反坦克战车以及大量的反坦克狙击枪、反坦克火箭弹所摧毁，损失的飞机基本上都是被歼十战斗机和地面强大的防空炮击落的。只有德军的火炮阵地是苏军以血肉之躯和顽强的精神意志反击成功的。