1941年9月30日(农历1941年8月10日)，莫斯科保卫战开始。
德军在“闪电战”计划破产后，被迫缩短战线，妄图集中力量，迅速攻占莫斯科。莫斯科是苏联首都，全国政治、经济、军事和文化中心，也是铁路交通枢纽，具有极其重要的战略意义。希特勒认为，一旦攻占莫斯科，就能击败苏军主力，达到结束对苏战争的目的。
9月30日，德军对莫斯科发动了代号“台风”的大规模攻势，妄图在十天之内攻占它。德军投入的兵力有七十四个半师，一百八十万人，一千七百辆坦克，一千三百九十架飞机，一万四千多门大炮和迫击炮。德军集中了最经锐的部队。苏军方面总共有九十五个师，一百二十五万人，九百九十辆坦克，六百七十七架飞机，七千六百门大炮和迫击炮。
希特勒扬言要在莫斯科红场上检阅他的法西斯军队。10月2日，德军从中部突破了苏军防线，到10中旬的两周之内，德军中央集团军群完成了三个大包围圈，两个在布良斯克附近，另一个在维亚兹马以西。在这三个包围圈作战中，德军共俘虏六十六万三千俄国人。面对这危急关头，苏军迅速在莫斯科以西约八十公里的莫日艾斯克组织了防线，阻止德军推进。
10月10日，斯大林任命朱可夫大将为西方和预备队方面军司令员。朱可夫迅速重建了四个集团军，以防守莫日艾斯克。10月中旬，在北、西、南通往莫斯科的所有重要地段上都展开了机烈的战斗。10月15日，苏联政府的部分机构和外国使节迁往古比雪夫。斯大林留在莫斯科，亲自指挥保卫成，10月19日，国防委员会宣布莫斯科戒严，号召首都人民誓死保卫莫斯科。
三天之内，全市组织了二十五个工人营，十二万人的民兵师，一百六十九个巷战小组。有四十五万人参加修筑防御工事，其中四分之三是妇女。在首都和全国军民支援下，前线军民英勇抗敌，浴血奋战。到10月底，德军被阻止在加里宁--土耳基诺沃--沃洛克拉姆斯克--多罗霍沃--纳罗--佛敏斯克--谢尔普霍夫--阿列克辛以西一线。希特勒妄图在10月占领莫斯科的计划破产了。
1941年11月7日，苏军在英勇保卫莫斯科的同时，红场依然进行着阅兵式。斯大林向全国军民发表振奋人心的演说：“我们的事业是正义的，胜利一定属于我们！”
11月15日，德军向莫斯科发动第二次疯狂进攻。11月23日，德军占领克林，27日，又占领了离莫斯科仅有二十四公里的伊斯特腊。莫斯科处于德军大炮色程之内，德军用望远镜几乎可以看到克里姆林宫的顶尖，在这千钧一发之际，莫斯科军民誓死保卫首都，苏军第316步兵师（后改名为潘菲洛夫第8近卫师），表现了苏军大无畏的革命英雄气概，在阻击德军坦克通向莫斯科的杜波塞科沃要道上，持续战斗四个小时，击毁敌人十八辆坦克，为保卫莫斯科，英雄们全部壮烈牺牲。从11月16日到12月5日，德军损失官兵十五万五千，坦克七百七十七辆，而莫斯科岿然不动。
12月初，莫斯科的气温已下降到零下二十至三十度，德军没有棉衣，飞机和坦克的马达无法发动，坦克上的光学窥镜失去作用。而苏军，他们习惯寒带生活，而且穿上了棉衣、皮靴和护耳冬帽，仅英、美根据莫斯科议定书就给苏联运送了一百五十万双军靴，一万零五百吨制靴皮革。
随后又运去七百万双军靴。12月6日，苏军从莫斯科南面和北面展开大反攻。1942年初，苏军击溃了进攻莫斯科的德军，毙伤十六万八千人，把德军赶离莫斯科一百到二百五十公里，取得了莫斯科保卫战的胜利，在1941年德苏战场的整个冬季战役中，德军被击溃五十个师，陆军伤亡八十三万多人。
德军在莫斯科战役中的失败，标志着希特勒闪电战的彻底破产。这是德军在第二次世界大战中的第一次大失败。苏军的胜利，极大地鼓舞了苏联人民和全世界人民反法西斯战争的胜利信心。
