虽然因为中央集团军群的军队调往西南集团军群参加基辅会战而推迟了莫斯科战役，但是在肌肤战役结束的第一时间内，莫斯科战役还是第一时间内开始，当时德军对于能否攻占莫斯科毫无怀疑，前期的闪电式的快速进攻时的德军认为苏联的首都也会像之前的那些我城市一样，一战而下，甚至在进攻前夕，德国国内的大小报纸的头版头条都已经扩了出來，准备登载德军攻占莫斯科的新闻捷报。
虽然德军在刚开始因为兵力不足进攻莫斯科受挫，但是这丝毫不影响德军的心情和士气，他们认为在冬天到來之前拿下莫斯科是毫无问題的，德军统帅部认为莫斯科在政治和军事战略上具有重大意义，占领莫斯科关乎整个战争之命运，德军在攻占斯摩棱斯克和基辅、推进至列宁格勒（今圣彼得堡）附近后，想在战争最初几周内从行进间夺取首都的计划以遭失败，于是德军准备了代号为“台风”的大规模进攻战役。
计划规定，以各坦克集团分别由杜霍夫希纳、罗斯拉夫利、绍斯特卡等地域向东和东北方向实施3个强大突击，割裂苏军防御，并在维亚济马、布良斯克两地域合围歼灭西方面军、预备队方面军和布良斯克方面军，尔后以强大快速集群从北面和南面包围莫斯科，在步兵兵团实施正面进攻的同时，攻占苏联首都，为达此目的，德军基本力量集中于斯摩棱斯克以东“中央”集团军群（司令为博克元帅）地带：“中央”集团军群辖第9（司令为施特劳斯上将）、第4（司令为克鲁格元帅）、第2集团军（司令为魏克斯上将），坦克第3（司令为霍特上将）、第4（司令为霍普纳上将）、第2集群（司令为古德里安上将），共74个半师，内14个坦克师和8个摩托化师，亦即约占苏德战场步兵师总数的38%，坦克师和摩托化师的64%，陆军由第2航空队进行支援，进行这次计划的“中央”集团军群总计约有180万人，坦克1700辆，火炮和追击炮1.4万余门，飞机1390架。
在德国军队即将进攻的时候，对苏军说來，情况异常复杂：当时许多企业被迫向东部地区疏散，因而苏联军事经济还不能够充分满足作战军队对武器和技术兵器的需要，各战线正在进行艰苦的防御交战，军队遭到严重削弱，此外，由于日本和土耳其两国政府采取亲希特勒方针，苏军统帅部不得不在远东的苏日、西亚的苏土边境屯扎重兵，最高统帅部大本营对莫斯科会战的企图是，依托有利地区建立纵深梯次配置的防御，阻止德军突向莫斯科，尽可能给德军以大量杀伤，争取时间，并为反攻创造条件，为实现这一企图，大本营采取了必要措施，向莫斯科远接近地派出了精锐部队和兵团，但仍未能改变对苏军不利的兵力兵器对比。
截至9月底，西方面军（司令为科涅夫上将）辖第22（司令为沃斯特鲁霍夫少将）、第29（司令为马斯连尼科夫中将，12月为什韦佐夫少将）、第30（司令为霍缅科少将，11月为列柳申科少将）、第19（司令为卢金中将，10，11月为博尔金中将，11月改编为突击第1集团军）、第16（司令为罗科索夫斯基中将）、第20集团军（司令为叶尔沙科夫中将）在奥斯塔什科夫、叶利尼亚西北宽达300余公里的地区占领防御。
预备队方面军（司令为苏联元帅布琼尼）以第24（司令为拉库京少将）、第43集团军（司令为索边尼科夫少将，10月为阿基莫夫中将，11月为戈卢别夫少将）在罗斯拉夫利方向100公里正面进行防御，而将其余第31（司令为多尔马托夫少将，10月为尤什克维奇少将）、第49（司令为扎哈尔金中将）、第32（司令为维什涅夫斯基少将）、第33集团军（司令为奥努普里延科旅长，10月为叶夫列莫夫中将）置于西方面军后方谢利扎罗沃、多罗戈布日以东、斯帕斯杰缅斯克一线。
布良斯克方面军（司令为叶廖缅科上将）辖第50（司令为彼得罗夫少将，10，11月为叶尔马科夫上校，11月为博尔金中将）、第3（司令为克列伊泽尔少将，12月为普申尼科夫中将）、第13集团军和1个集团军级集群，扼守布良斯克以西及其以南宽达300余公里的地区。
总计在西面方向上的3个方面军共有125万人，坦克990辆，火炮和迫击炮7600门，飞机677架，德军人员比苏军多0.4倍，火炮和迫击炮多0.8倍，坦克多0.7倍，作战飞机多1倍，德军不仅在数量上，而且在武器质量上也占优势，因为当时苏军坦克和飞机有一半以上是旧式的，德军在坦克、航空兵、反坦克炮兵、高射炮兵以及摩托化兵方面的优势尤为明显。
根据“台风”计划，德军第2装甲集群9月30日在布良斯克方向，第3、第4装甲集群10月2日在维亚济马方向相继开始了进攻，尽管苏军进行了顽强抵抗，德军仍然突破了防御，苏军实施的反突击虽然迟滞了德军前进，但未能阻止其进攻，在维亚济马方向，西方面军和预备队方面军在维亚济马方向和斯帕斯杰缅斯克方向进行了艰苦的防御战斗。
10月3日占领奥廖尔，10月4日，德军夺取了斯帕斯杰缅斯克和基洛夫，10月5日夺取了尤赫诺夫，10月7日则进抵维亚济马地域，两方面军大部分军队在此陷入合围，一直顽强抵抗到10月12，13日，牵制了德军28个师，13日，苏军维亚济马集团大部被歼，被围军队一部后來突出重围，有的留在敌后开展游击斗争，布良斯克方面军陷于战役合围的困境后也向后退却，莫扎伊斯克防御线成了莫斯科接近地上的主要抵抗地区。
在莫斯科海至卡卢加（战线长230公里）一线，4个集团军总共只有9万人左右，这些兵力不足以在整个地带建立坚固防御，为了改进军队指挥，西方面军和预备队方面军于10月10日由大本营合编为西方面军，朱可夫大将任司令，复杂的情况要求从莫斯科疏散许多政府机关和最重要的企业，留下的企业生产军用品；军队和劳动者在莫斯科近接近地构筑新防御地区，组建新的民兵师，使全城做好巷战准备，等等，为构筑防御工事动员了45万首都居民，其中75%为妇女，10月20日，国防委员会在莫斯科及其附近地域实行戒严，23日，苏军布良斯克集团大部被歼，德军在维亚济马，布良斯克战役中、俘虏苏军67.3万人，莫斯科防空部队同空中德军空军作了顽强斗争，10月间，德军对莫斯科进行了31次空袭，共有2000架飞机参加，其中278架被击落，只有72架闯入莫斯科上空，在数量和质量落后的情况下，苏联空军圆满完成了他们的使命。
10月月中，11月初，在莫扎伊斯克防御地区展开的多次激烈战斗中，苏军对德军优势兵力进行了顽强抵抗，将其阻止于拉马河、鲁扎河、纳拉河等地区，在加里宁防御战役中也进行了同样激烈的战斗，10月14日，德军坦克突入了加里宁，10月17日，以西方面军右翼（第22、第29、第30、第31集团军）为基础组成了加里宁方面军（司令为科涅夫上将），德军想从加里宁向东南发展进攻并前出西北方面军和西方面军后方的企图被粉碎，10月底，11月初，德军坦克第2集团军在图拉方向的进攻也因最高统帅部大本营预备队以及第50集团军和图拉市人民的英勇作战而受阻。
德军虽然对维亚兹马，布良斯克战役中消灭了大量的苏军有生力量，但随着天气的变冷德军的攻势锐减，道路异常泥泞，德军于是被迫全线停止前进，以待大地封冻，德军暂时的停进使苏军赢得了宝贵的喘息时间，到10月底，苏军最高统帅部开始抽回一些部队作为预备队，使其得到必要的休息，新的预备队也在源源不断地赶到。
此时，苏联接到中国的谈判消息，大喜之下，苏联果断的撤出了在上次条约已经还给中国的领土，和日本对峙的军队除了原本自己境内的那些，在中国收回的领土境内的军队全部抽回，参加莫斯科会战，这些兵力有五个步兵师和两个装甲师。
到了11月初德军兵锋距离莫斯科最近的地方之后不到70公里，这个时候，为了鼓舞前线士兵的士气，苏联毅然决定在红场照常举行阅兵，各地赶來的预备队和前线撤下來休整的部队，甚至都不到自己在干什么？根本就沒有进行彩排就被拉上了阅兵场，在分列式上那些刚从后方赶到莫斯科或者从前线撤下來的士兵穿戴破烂不堪，队列走的也不齐，但是这种破釜沉舟的氛围极大感染士兵，也极大提高了他们的士气，站在主席台上，斯大林拒绝了自己机要秘书给自己打伞的做法，身上穿的大衣已经完全被雪花给盖住，在战士们分列式结束后，斯大林整了整情绪，看着下面的士兵，他明白，苏联的生死存亡就在这一刻，甚至他的政治生命也在这一刻，对于自己的大清洗导致苏联军队战斗力低下，开战以來一溃千里的情况，斯大林从來沒有后悔，如果重來，他还会这样做，任何事情都沒有他的地位重要，斯大林站在话筒前深吸了一口气大声对下面的士兵说道：
“红军和红海军战士们，指挥官和政治工作人员，男工和女工，集体农庄男女庄员，智力劳动者们，在敌人后方，暂时陷在强盗压迫下的兄弟姐妹们，我们那些破坏德寇后方的光荣的游击队男女队员们。
我代表苏维埃政府和我们布尔什维克党向你们致敬，并庆祝伟大的十月社会主义革命二十四周年。
......德寇背信弃义的进攻，及其强迫我们进行的战争，造成了威胁我国的危险，我们暂时失去了一些区域，敌人已经进犯到列宁格勒和莫斯科的门前，敌人指望在第一次打击之后，我们国家立即屈膝投降，可是？敌人大大的失算了，我们的陆军和海军虽然遭到暂时的失利，但还是在全部战线上英勇的击退着敌人的攻击，给敌人以严重损失，并且我们的国家，我们全国组成了统一的战斗阵营，以便我们陆军和海军一起实行粉碎德国侵略者，......
我国有过比现在处境更加危急的时日，试回忆1918年，我们庆祝十月革命周年纪念时的情况吧！当时我国四分之三的领土都落在外国武装干涉者手中，我们暂时失去了乌克兰、高加索、中亚细亚、乌拉尔、西伯利亚和远东等地区，当时我们沒有联盟者，沒有红军，，我们才开始创建红军，，粮食不足，武器不够，被服缺少，当时有十四个国家围攻我国，可是我们不曾灰心，不曾丧气，当时我们在战争的火焰中组织了红军，并把我国变成军营，当时，伟大的列宁精神鼓舞了我们去进行战争反对武装干涉者，结果怎样呢？我们击溃了武装干涉者，收回了一切失地，并争得了胜利。
......我们现在有同盟国与我们结成反对德国侵略者的统一战线，我们现在有陷入希特勒暴政压迫下的欧洲各国人民的同情和拥护，我们现在有精良的陆海军挺身保卫祖国的自由和独立，我们无论在粮食、武器或被服方面都不感严重的缺乏，我们全国，我国各族人民都一致支援我们的陆军和海军，帮助他们粉碎德国法西斯的侵略匪军，我们的人员后备是无穷无尽的，现在伟大列宁的精神和他胜利的旗帜，也如二十三年前那样，鼓舞我们去进行卫国战争。
我们能够并且一定战胜德国侵略者，这样难道可以怀疑么，敌人并不像某些惊慌失措的知识分子所形容的那样厉害，鬼并不像人们所描述的那样可怕，谁能否认，我们红军曾屡次把轰动一时的德军击得仓皇逃窜呢？如果不妄信德国宣传家的夸张声明，而去按照德国真实状况來判断，那就不难了解德国法西斯侵略者是处在大破产的面前，现在德国笼罩着饥饿和贫困，在四个月的战争中，德国损失了四百五十万士兵，(说道这里的时候斯大林选择性忘记了他们自己损失了600万的士兵，远比得过流的血要严重）德国流血殆尽，他的人员后备正在穷竭，愤恨的精神不仅浸入到那些陷在德国侵略者压迫下的欧洲各国人民中，而且浸入到感于战争结束无期的德国本国人民中，德国侵略者正在紧张其最后的力量，毫无疑义，德国决不能长久支持这种紧张局面，再过几个月，再过半年，也许一年，，而希特勒德国就定会在其深重罪孽下破碎的，......
......陷在德国侵略者枷锁下被奴役的欧洲各国人民都指望着你们，认定你们是他们的解放者，伟大的解放使命落到你们的肩上，要不愧为这个使命的承担者呵，你们所进行的战争是解放的战争，正义的战争，让我们的伟大祖先亚历山大-涅夫斯基、季米特里-顿斯科伊、库兹马-米宁、季米特里-波札尔斯基、亚历山大-苏沃洛夫、米哈伊尔-库图佐夫的英姿，在这次战争中鼓舞着你们吧！让伟大列宁的胜利旗帜指引着你们吧！
为完全粉碎德寇而战，消灭德寇，我们光荣的祖国万岁，我们祖国的自由和独立万岁！”
斯大林一口气说完自己演讲，在一片乌拉声中，圆满结束，在斯大林的演讲结束后，那些参加阅兵的部队就在各自指战员的带领下奔赴战场，士气旺盛的苏军的这些后援部队打了德军已经比较疲惫的部队一个措手不及，在苏军毫无征兆嫌弃的反击之前，德军手忙脚乱，部队后撤了近50公里才算稳住战线，重新站稳脚跟，打退了苏军的这次反击。
德军虽遭重大损失，但仍图夺取苏联首都，一定要在冬季到來以前攻占莫斯科，德军增调兵力，变更部署，用于进攻莫斯科的兵力有51个师，内13个坦克师和7个摩托化师，兵力优势仍在德军方面：人员比苏军多1倍、炮兵多1.5倍、坦克多0.5倍，个别方向（沃洛科拉姆斯克方向、图拉方向）优势还要大些，德军的企图依旧是击溃苏军，合围并占领莫斯科。
苏军识破了德军意图，以预备队和补充兵员加强了西方面军，11月10日，布良斯克方面军撤销，所属第50集团军转隶西方面军，第3、第13集团军转隶西南方面军，自11月17日起，加里宁方面军第30集团军编入西方面军，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。
11月15，18日，德军经过调整和补充后，向莫斯科重新发起进攻，在加里宁，索尔涅奇诺戈尔斯克防御战役和图拉防御战役中，苏军阻止了沿克林，罗加切沃方向和图拉、卡希拉方向分别实施主要突击企图从北面和南面迂回莫斯科的德军，德军从最初几天起就遇到了苏军顽强抵抗，潘菲洛夫少将、别洛博罗多夫少将、多瓦托尔少将和卡图科夫上校等指挥的兵团官兵坚守阵地，首都保卫者们在“俄罗斯虽大，但已无处可退，后面就是莫斯科！”的口号下奋战，宁死不退，德军的进攻虽然犀利，但是依然无法形成突破，德军的进攻已经乏力，苏军的大反攻正在酝酿，