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，前苏联潜伏在日本的著名间谍佐尔格发来可靠的情报，称日本武装力量将全力南进，无意对苏作战。斯大林听到这一消息，紧绷的心弦不由舒了口气。于是，他立即将部署在西伯利亚与日本关东军对峙的25个步兵师和9个装甲旅的精锐部队陆续西调到了莫斯科近郊。苏军渐渐地从维亚兹马和布良斯克所蒙受的惨重损失中恢复过来。他们不仅有了招架之功，而且开始具备了还手之力。斯大林下令朱可夫先敌进行反突击以粉碎德军正在准备的突击。朱可夫接令后即以第十六、第十九集团军向德军发起反突击，但未能取得斯大林预期的效果。
11月3日至4日，第一次降霜了。虽然骤冷的气温使泥泞的道路变硬，为德军的机动提供了便利，但同时由于没有冬季服装，部队开始出现严重的冻伤。许多官兵已经几个月洗不上澡，没有换过衣服，蓬头垢面，肮脏不堪。他们整天卷曲着身子躺在地上，呆立在狭窄的、有积水的掩体里，两脚冻得几乎失去了知觉。德军士气开始低落起来。就连一向骁勇善战、从不叫苦的钢铁汉子古德里安也情绪低沉，对德军的未来充满了消极的情绪。陆军总参谋长哈尔德也没有了以前那样乐观的情绪了，他开始怀疑德军会不会在此地重蹈拿破仑的复辙。但是，在希特勒看来，德军在莫斯科的北、南、西三面，已达到距目标三四十公里的地方，到莫斯科的这最后一程，根本算不了什么。他的军队已前进了800公里，他们只要再走三四十公里便行了。
在德军兵临莫斯科城下的严峻时刻，莫斯科人民于11月6日在地下铁道马雅可夫斯基车站举行了伟大的十月社会主义革命24周年的庆祝大会。第二天，即11月7日，前苏联政府在莫斯科红场上进行了传统的阅兵式。全副武装的苏军指战员从列宁墓前经过，然后直接开赴前线。他们的耳畔萦回着斯大林讲话发出的号召：贡献全部力量来保卫首都和战胜敌人。在突进的德军眼皮底下举行的阅兵本身，在前苏联国内和国际上产生了重大的影响。它激发了高涨的爱国主义热情，鼓舞了前线与后方的士气。人们坚信战争进程必然会发生转折，前苏联一定会战胜德国法西斯侵略者。英国《新闻纪事报》报道说：“通往莫斯科的要冲鏖战正酣，而莫斯科却组织了一年一度的传统阅兵，这是英勇和无畏的榜样。”
11月13日，德陆军总参谋长哈尔德在中央集团军群总部召开了各军团参谋长会议，下达了1941年秋季攻势命令。其计划：以克鲁格的第四集团军为中路，从西面对莫斯科发起正面攻击；以霍特的第三装甲兵团和赫普纳的第四装甲兵团为北翼，分别从北面和西北面包围莫斯科；以古德里安的第二装甲集团军为南翼，从南面包围莫斯科。为此，中央集团军群共集中了51个师，其中31个步兵师、13个坦克师和7个摩托化师。
11月16日，德军“秋季攻势”开始发动。在北面，霍特第三装甲兵团向东南方向进击，23日占领了莫斯科西北的克林，28日突破了莫斯科—伏尔加运河。德军在河东岸建立了一座巩固的桥头堡，并占领了一座为莫斯科提供大部分电力的大型发电厂。在霍特的南面，赫普纳第四装甲兵团于27日占领了莫斯科西北的伊斯特腊镇，这里距莫斯科只有24公里，赫普纳从他的望远镜里已能看见克里姆林宫塔顶的红星。在南面，古德里安的第二装甲集团军于11月18日开始向北推进。25日，其前卫团已接近莫斯科以南的卡希拉，其主力则包围了图拉。看来，莫斯科已指日可下了。
然而，两翼装甲兵力的成功还得依赖于克鲁格第四集团军在中央的前进。但是，克鲁格第四集团军在一开始便受到了强大苏军的正面抵抗。由于朱可夫将精锐部队都用在这个方向上，第四集团军的突击一开始就进展不快。22日，中央集团军群司令包克元帅亲自上阵指挥第四集团军作战。包克发挥出来了巨大的精力，把一切可抽调的兵力都投入了战斗。这与1914年的马恩河会战十分相似，即只有当最后一营兵力投入之后，才能够分出胜负。但是，尽管包克拼了老命，第四集团军每前进一步都是异常的困难。当包克以为苏军预备队已用完的时候，越来越多的苏军西伯利亚精锐师却源源不断地出现在他面前。包克已经害怕这次会战将变成第二次“凡尔登会战”，即激烈的消耗战。
12月1日，包克挥其疲惫之师，再次发起攻势，以作最后的努力。他的努力总算取得了一些进展。12月2日，德军第二五八步兵师的一支部队突入了莫斯科城郊。但前苏联工人从工厂中涌了出来，为了保卫祖国的首都，工人们用手中的工具同德军进行着殊死的搏斗。在夜间，苏军对于这些已经透入他们防线的一小部分德军，实行强烈的反击，德军遭到了非常严重的损失。
正当保卫战如火如荼，方兴未艾之时，11月27日，气温在两小时内骤然跌到了零下40摄氏度。数以千计的德国士兵冻成残疾，染上了使人寒颤不止、全身无力的疟疾，冻伤造成的损失比战场上造成的损失严重。自11月19日以来，运给他们的棉衣少得可怜。希特勒和他的将领们后来抱怨说，对莫斯科的进攻所以遭到失败，完全是因为俄国冬季异乎寻常地提早来临，但事实上是德国一无准备。可怕的严寒不仅摧残士兵的身体，而且还使机器停转、武器失灵。德军坦克的发动机无法起动，机枪和自动武器不听使唤，步枪枪栓被冻油卡死。
德军本来计划打一场战略决战，现在已变成了孤立的战术作战，全部预备队全被拉上战场，中央集团军群司令部也无能为力。而此刻，前苏联突击军团突然出现。苏军的机枪披着枪套，以防止严寒的侵袭；武器上加上冬季润滑油，使用灵活；每个战士穿得暖暖的，足以御寒。且在大量威力强大的“T－34”型坦克群的支援下抗击德军。这种“T－34”型坦克正是为在这种严寒条件下作战而特地设计制造的。苏军向着冻得麻木的德军猛扑上去，将德军从前沿阵地赶了回去，挫败了德国的进攻。
12月4日，当气温降至零下52摄氏度时，德军再也不能作战了。古德里安怀着一颗沉重的心，决定先撤退了。这是他那支所向无敌的装甲劲旅自从踏平波兰以来的第一次撤退。12月5日，德军在各个方向的进攻都被可怕的严寒和苏军顽强的抵抗阻止了。虽然莫斯科近在眼前，也已处于他们的炮火射程之内，但他们已经筋疲力尽，锐气丧尽。而苏军已作好准备，将对疲惫不堪冻得半死的德军发起强大的反攻。
12月5日，可涅夫指挥的加里宁方面军率先对莫斯科北面德军发起反攻。次日，朱可夫的西方方面军也向莫斯科南北两面德军发起了强大的反击攻势。长期处于攻势的德军一旦遭到苏军大规模的反攻，未免有些慌乱，但经过长期征战德军表现出少有的应变能力，他们迅速从惊慌中稳定下来，且战且退。朱可夫要求部队不要与敌人的后卫部队纠缠，大部队要迅速绕过，尽可能深入地打到德军的后方去，不分昼夜地追击敌人。在朱可夫的催促下，苏军反攻速度不断加快。德军防线被接连突破，被迫向后撤退。
12月19日，希特勒免去了陆军总司令勃劳希契的职务，自己亲自兼任陆军总司令。他发布了绝对不许撤退的命令。虽然德军将领都一再要求撤退，而且古德里安和赫普纳都因擅自撤退而被免职，可是希特勒却认为万万不可以退却，否则就会重蹈拿破仑的覆辙。
到1941年12月底，苏军已收复了克林、卡卢加、加里宁等城市，解除了德军对图拉的包围。至此，莫斯科会战结束。据苏军最高统帅部公布的数字，德军共伤亡50多万人，损失坦克1300余辆、火炮2500门，汽车15000多辆。这是德军自开战以来遭到的第一次大失败，哈尔德哀叹道：“德国陆军常胜不败的神化已经破灭了。”
莫斯科会战的胜利，具有重大的政治和军事意义。它是苏德战争第一年的一次大会战。苏军经过防御和反击，粉碎了德国希特勒对前苏联首都的进攻，挫败了希特勒的第一个战略计划，从而结束了苏德战争的第一阶段，德军从全面进攻转入了防御。同时，莫斯科会战也给世界反法西斯人民一个很大鼓舞，使反法西斯人民统一战线更加巩固，使法西斯国家集团更加削弱。这次会战，使苏军取得了组织大规模防御作战并适时转入反攻的经验，以及组织战略方向之间和各方面军的协同作战的经验，为尔后组织方面军群防御和进攻战役奠定了基础。
关于德军在莫斯科城下失败的原因，古德里安等德军将领认为，希特勒在斯莫棱斯克叫停，将中央集团军群主力投入列宁格勒、乌克兰作战这种功亏一篑的战略指导思想是造成1941年德军失败的主要原因。而多数西方军事史学家和军事理论家则认为，俄罗斯冬天的提前来临，严寒及德军对冬季战争毫无准备，才是德军失败的主要原因。英国军事理论家利德尔·哈特在其《战略论》中写道：“假使要追问，在1941年战役中，德军失败的主要原因是什么？其最适当的判词就是为自然因素所击败。”
