莫斯科保卫战开始于1941年10月一直持续到1942年1月。莫斯科保卫战包括苏军粉碎向莫斯科进攻的德军“中央”集团军群各突击集团而实施的一系列防御战役。1941年6月22日，纳粹德国与其盟友入侵苏联，使苏联及苏联红军领导层大吃一惊。德军以闪电战战术快速深入苏联领土。装甲部队以钳形方式推进，先孤立然后彻底摧毁苏联红军。德军北方集团军群向列宁格勒推进，南方集团军群则征服乌克兰和高加索高地，而中央集团军群则向莫斯科进发。苏联红军的防线很快便崩溃，死伤枕藉。1941年8月上旬，德军攻占斯摩棱斯克，是通往莫斯科路上一个重要据点，但斯摩棱斯克的战斗阻碍了德军的攻势直到9月中旬，有效地瓦解了闪电战的战术。其后，古德里安的装甲部队到达莫斯科外围，但纳粹德国元首希特勒命令他转向南方去支持龙德施泰特指挥的南方集团军群对乌克兰首府基辅的攻击。9月，德军在攻占白俄罗斯的首府斯摩棱斯克和乌克兰的基辅后，集中兵力向苏联首都莫斯科发动进攻。首先，把北方，南方集团军群的部分兵力集中到中央集团军群。

德军以闪电战战术快速深入苏联领土。装甲部队以钳形方式推进，先孤立然后彻底摧毁苏联红军。德军北方集团军群向列宁格勒推进，南方集团军群则征服乌克兰和高加索高地，而中央集团军群则向莫斯科进发。苏联红军的防线很快便崩溃，死伤枕藉。1941年8月上旬，德军攻占斯摩棱斯克，是通往莫斯科路上一个重要据点，但斯摩棱斯克的战斗阻碍了德军的攻势直到9月中旬，有效地瓦解了闪电战的战术。其后，古德里安的装甲部队到达莫斯科外围，但纳粹德国元首希特勒命令他转向南方去支持龙德施泰特指挥的南方集团军群对乌克兰首府基辅的攻击。1941年9月，德军在攻占白俄罗斯的首府明斯克和乌克兰的基辅后，集中兵力向苏联首都莫斯科发动进攻。

由于确切情报得知日本在远东地区认定的主要对手是美国而不是苏联，所以苏联方面朱可夫元帅从远东地区调集大量部队巩固首都莫斯科的防御，苏军得知情况后，自7月起，苏联政府征用民工在莫斯科以西两道防线上急如星火地构筑工事。民工中有四分之三以上是妇女。前一道防线称做维亚兹马防线。它的最北端在奥斯塔什科夫以东约三十英里处，据瓦尔代山不远，中间穿过维亚兹马以西地区，最南端在基洛夫以南，全长二百余英里。后一道防线叫莫日艾斯克防线，在莫斯科以西约八十英里，自沃洛科拉姆斯克至提赫文，长约一百六十英里。此外，在莫斯科以西还有四道弧形防线。同时，苏联从中亚，远东抽调兵力保卫莫斯科。另外，苏联还使用坦克伏击战，这是由卡图科夫首次提出的，主要在姆岑斯克附近进行的。实时证明坦克伏击战还是很有用的，卡图科夫为巩固图拉防线赢得了时间，并削弱了古德里安对莫斯科南部的攻势。苏联红军经过11月底-12月初的顽强防御和多次反突击，德军突向莫斯科的最后企图破产了。苏联红军虽然经常处在危急状态，但终于坚持下来并消耗了德军。仅1941年11月16日到12月5日这段时间内，德军在莫斯科附近就死伤15.5万余人，损失坦克约800辆、火炮300门、飞机近1500架。据说，霍普纳推进了工程营摩托车兵，在1941年11月30日冲进一个距离莫斯科中心只有8公里的郊区，关于这件事，有一种说法是摩托车兵全部阵亡，另一种是说他们很快都撤退了。

1941年-1942年的冬季就算以俄国人的标准来看都异常地严寒。德军因战线过长，补给不足，战役中消耗过大，既没有设防御阵地和战役预备队，又无在冬季条件下作战的准备。11月上旬入冬，虽然道路能够使用，但德军的冬季装备不足，由于认为在入冬前就能结束战事。保暖衣服和白色伪装服都不足，坦克和其它车辆都因为低温而不能动弹。而苏联红军则士气高涨。对莫斯科的苏联红军而言，情形则恰好相反。来自西伯利亚的苏联红军早已习惯了寒带生活，有着足够的冬季作战装备，他们的枪炮套上了保暖套，涂上了防冻润滑油；有足够的棉衣、皮靴和护耳冬帽用来防寒。到了1941年11月29日，德军已成强弩之末，在各个方向上的进攻都已被遏制。此时朱可夫要求斯大林将预备队第10集团军，第20集团军和第1突击集团军转隶给西方面军。此时，苏军的实力是，总兵力110万人，7652门火炮，774辆坦克，1000余架飞机。德军共有170万人，13500门火炮，1170辆坦克，615架飞机。虽然德军兵力要多于苏军，但由于其战线过长，兵力分散，战线并不稳固。苏联红军转入反攻并粉碎莫斯科城下德军的条件已经具备。斯大林任命华西列夫斯基中将担任代理总参谋长，并命令他立即拟定反攻作战计划。苏联红军反攻的指导思想是，同时粉碎德军“中央”集团军群分别从北面和南面威胁莫斯科的最危险的突击集团。反攻的基本任务赋予了西方面军。加里宁方面军和西南方面军分别在其北面和南面实施突击。

德军的失败使德军士气低落，在冬季战局中，35名高级将领，陆军总司令布劳希奇元帅被停职、博克元帅被取消中央集团军总司令的头衔，由克鲁格取代，霍普纳被开除军籍，剥夺身穿军装和领取养老金的权利，古德里安上将被停职，直到1943年2月重返部队，施特劳斯上将等被撤职或停职。德军在莫斯科会战中损失兵力50多万，损失坦克3000辆，火炮2000门，汽车2000辆以及其他技术装备。随着，苏军反攻开始和以牺牲巨大的代价，在第2次世界大战中，苏联是牺牲人数最多的国家，才取得了莫斯科保卫战的胜利。德国在莫斯科会战中第一次遭到重大战略性失败！纳粹德国企图快速征服苏联的计划破产，莫斯科保卫战胜利打破了德军不可战胜的神话，使其遭到无法弥补的物质损失。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。苏联红军的胜利，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。