1941年12月8日，美国总统罗斯福签署法令对日宣战。为了确保莫斯科城万无一失，在莫斯科实行全城戒严以后，所有留在莫斯科的市民们都集中了起来，帮助部队组织城市的防御。在3天时间里，工人、工程师、科学家、作家、职员和学生都被动员了起来，组成了25个民兵营，兵力达12，000人。到10月底，民兵营进一步增加到4个师，兵力达4万人。
此外，市民们还建立了169个巷战小组和数百个坦克歼击组，共计有1万人。莫斯科的工厂开始生产修筑防御工事所必需的各种材料；有45万人参加修筑莫斯科周围防线的工作，其中绝大多数是妇女。勇敢的莫斯科妇女们顶着凛冽的严寒，冒着刺骨的寒风，艰苦工作，建立起一个蔚为壮观的环形防御地带。
战斗在莫斯科西部接近地激烈地进行着。莫斯科市民的生活条件越来越困难，居民的口粮被减到每天1，600卡路里热量。由于煤碳都优先供应军事工业，因而住家和学校都断了煤。电力用来保证制造军火，因而从每天下午4点钟开始的漫漫冬夜里，住家一律不供电。居民们工作12个小时后回到家里，不得不在黑暗中摸索着上床，和衣而卧。德军的飞机不时飞抵城市上空，进行无情的轰炸扫射，人们冒着空袭的危险，对莫斯科市内和市郊的大型工矿企业继续进行大规模的疏散。8．8万辆铁路货车，满载着设备、金属材料和各种半制成品、工人及家属，奔赴伏尔加河中下游地区，开赴乌拉尔、西伯利亚、中亚和哈萨克斯坦，在后方建设新的工厂。
尽管局势异常严重，斯大林仍决定举行传统的一年一度的十月革命节阅兵式。
11月6日，苏联首都人民在地下铁道马雅可夫斯基车站隆重地举行了伟大的十月社会主义革命24周年的庆祝大会。斯大林作了《伟大的十月社会主义革命24周年》的报告。斯大林指出，德军的后备快要枯竭，苏联的后备才刚刚充分扩充起来，德军的力量也比苏联军大为削弱，德国法西斯对苏联实行的闪电战已经彻底破产，德国帝国主义及其军队必然灭亡。
第二天，即11月7日午，莫斯科红场上规模宏大的阅兵式开始了。
这天，从清晨起，一场纷纷扬扬的大雪把整个莫斯科装束得雪白雪白的。整个阅兵式都是在雪中进行的，坦克、大炮和汽车都被覆盖着，庄严肃立的指战员们的双肩和后背上也都是雪。红旗在雪白的世界里显得格外鲜艳夺目。接受检阅的红军将士们屏住呼吸，同全国人民一起，全神贯注地聆听从列宁墓的观礼台上传出的那个熟悉有力的、略微带点嘶哑的声音：
红军和红海军战士、指挥员和政治工作人员、男女游击队员同志们！全世界都注视着你们，把你们看作是能够消灭德国侵略者匪军的力量。处在德国侵略者压迫下的欧洲被奴役的各国人民都注视着你们，把你们看作是他们的解放者。
伟大的解放战争使命已经落在你们的肩上。你们将不辜负这个使命！你们进行的战争是解放的战争、正义的战争。
让伟火的列宁的胜利旗帜引导你们，彻底粉碎德国侵略者！消火德国占领者！我们光荣的祖国、我们祖国的自由、我们祖国的独立万岁！在列宁的旗帜下向胜利利前进！
斯大林的讲话语调坚定，铿锵有力，富有极大的感染力和号召力。最后，他列举了俄国伟大先驱者和民族英雄，他说，苏联共产党和苏联政府有信心、有能力彻底消灭德国法西斯侵略者。他说道：
这一群丧尽天良、毫无人格，充满兽性的人恬不知耻地号召消灭伟大的俄罗斯民族，消灭普列汉诺夫和列宁，别林斯基和车尔尼雪夫斯基，普希金和托尔斯泰，格林卡和柴可夫斯基、高尔基和契诃夫、谢切诺夫和巴甫洛夫、列宾和苏利柯夫、苏沃洛夫和库图佐夫的民族！……德国侵略者想对苏联各族人民进行歼灭战。好吧，既然德国人想进行歼灭战，他们就一定会得到歼灭战。今后我们的任务，苏联各民族人民的任务，我们陆海军战士、指挥员和政治工作人员的任务，就是把侵入我们祖国领土的所有德国人——占领者一个不剩地歼灭掉。对德国占领者决不留情！消灭德国占领者！
斯大林的讲话结束后，庄严的阅兵式开始了。虽然疯狂的法西斯德军兵临英斯科城下，外面炮声隆隆，但莫斯科红场的气氛却是异常热烈。革命歌曲响彻云霄，歌声和口号声连成一片，此起彼伏，一浪高过一浪。苏军最高统帅斯大林一身戎装，以蔑视和压倒一切敌人的神态，威严地站立在列宁墓的观礼台上。指战员们全副武装，雄赳赳气昂昂地从列宁墓前列队走过，直接开赴前线。
斯大林在阅兵式上的讲话文本迅速在军队和人民中散发，飞机向敌占区空投了讲话文本。每个苏联人都如同得到了精神食粮，如饥似渴地学习传阅这两个讲话。斯大林的讲话和红场上的阅兵式使军队和老百姓的士气为之大振。
希特勒气急败坏
11月上旬，苏德双方都对兵力部署作了调整和补充。到11月15日为止，德军中央集团军群总兵力增加到74个师和4个旅，其中在西方方面军正面，希特勒就集中了51个整编师，包括31个步兵师，13个坦克师和7个摩托化师。这期间，朱可夫大将指挥的西方方面军也补充了10万官兵、300辆坦克和2，000门火炮，总兵力达到35个步兵师、3个坦克师、3个摩托化师、12个骑兵师和14个坦克旅。
11月15日，德军向莫斯科发起了苦心计划半月之久的第二次进攻。德军总的战役计划是：第9集团军牵制加里宁方面军并进攻克林，从北面包围莫斯科；第2集团军牵制西南方面军并占领图拉，从南面包围莫斯科；第4集团军在西面消灭莫斯科西面的苏军，然后从南、北包抄，在莫斯科以东会师完成包围。最后，几个集团军同时配合，正面进攻，一举占领莫斯科。
15日清晨，德军开始向克林发起疯狂进攻。与此同时，德军投入300多辆坦克进攻加里宁方面的第30集团军，而苏军在那里总共只有26辆轻型坦克，双方力量悬殊太大，苏军防御很快就被突破了。23日，德军占领了克林。
几乎在同一时间里，德军又从沃洛科拉姆斯克地区发动进攻。德军为了对付苏军的150辆轻型坦克而投入了400辆中型坦克。双方展开了一场力量极不平衡的激战。苏军第16集团军虽然打得异常顽强，但最终还是没能抵住德军的强大攻势，不得不后撤到了新的防线。
27日，德军攻占了离莫斯科只有24公里的伊斯特腊。这里是德军在这次大战中所到达的离莫斯科最近的地点。这就意味着莫斯科已处在德军的大炮射程内，德军已经能够用望远镜看见克里姆林官的顶尖了。当天夜间，一小股德军渡过了莫斯科一伏尔加运河。
在11月16日以后的几天里，对苏军来说，局势变得异常严峻。德军孤注一掷，动用强大的兵力实施进攻，并用占有绝对优势的坦克在先头开路，使得苏军伤亡严重。这样，实力本来就比德军弱的苏军更显兵力不足，实力薄弱。据苏军第16集团军司令员的报告，当时摩托化步兵第107师只有大约300人，坦克第25师只有12辆坦克，而坦克第58师已经损失了所有坦克。在几天的严酷战斗中，苏军虽然损失惨重，但他们终于阻止住了德军向莫斯科的推进。
从德军方面看，他们的战线虽然向前推进了不少，但种种不利因素也在与日俱增。部队已经被连续的战斗和严酷的寒冬弄得疲惫不堪，军官们忧心忡忡。更使德军感到不安的是，补给品极端奇缺，尤其是缺少冬装，穿着单薄的德军士兵在零下20度的冰天雪地里冻得瑟瑟发抖，疾病流行，枪支因缺少防冻油而常常拉不开栓，部队中一片哀怨。
l1月12日，苏军列宁格勒方面军对齐赫文实施了反突击；11月17日，南方方面军在罗斯托夫发动反攻，终于把德军坦克第1集团军赶回到乌斯河对岸；11月29日，苏军夺回了罗斯托夫，迫使德军不得不从其他地段抽调部队。而此时正值德军最需要集中兵力向莫斯科发动大规模进攻的时候。因此，苏军最高统帅部在其他战区组织的反击减轻了德军对莫斯科方面的压力，从而有力地支援了朱可夫大规模反攻计划的实施。
这时，德军由于战线拉得过长，已经开始感到难顾左右、力不从心了。尽管向莫斯科方向发动进攻的德军连连受挫，但对莫斯科的威胁仍然没有减轻。德军继续缓慢向前推进，日益逼近莫斯科城下。
考虑到整个战场的形势，斯大林和苏军最高统帅部开始考虑反攻问题了。一天，当德军在与苏军加里宁方面军交战中再一次得手之后，密切关注战场局势的斯大林亲自给朱可夫大将打来电话：
“你坚信我们能够守住莫斯科吗？”没等朱可夫回答，斯大林语气凝重地继续说谱：
“我是怀着沉重的心情问你这个问题，希望你以一个共产党员的诚实来回答我。”
1941年9月，霍普金斯作为罗斯福的私人代表访问了苏联，斯大林接见了他。“毫无疑问，我们能够守住莫斯科，斯大林同志！”朱可夫大将信心十足地回答说。稍微停顿了一下，朱可夫又说：
“但是，我们至少还需要增加2个集团军和200辆坦克。”
“你能有这样的信心，很好！”斯大林的心情轻松了许多，接着说道：
“11月底以前我会考虑给你增加2个集团军，我将与沙波什尼科夫同志商量这2个集团军的部署问题。至于200辆坦克，考虑到目前的实际困难，一时无法满足你。”
德军企图从南、北两翼包围并占领莫斯科的计划受挫后，决心在12月1日从苏军防线的中部单刀直人，直插莫斯科。进攻当天，德军部分部队突破防线15英里，但很快又被迎面赶来的苏军歼灭了。
这时，德军指挥部分析，要想突破苏军防线有新的进展，必须首先除掉位于突出部的著名军火工业城市图拉。于是，德军便对图拉施加了强大的压力。12月3日，德军切断了通往莫斯科的铁路和公路，图拉终于被德军合围了。
经过5天激战，德军以惨败告终。从11月16日到12月5日，德军在这次会战中伤亡15．5万官兵，损失777辆坦克和其他大量兵器。部队严重缺编，一些连队只剩下20~30人，官兵士气也急剧下降。德军被迫退到纳拉河西岸。
12月5日，在莫斯科周围200英里的半圆形阵地上，德军的进攻被全部粉碎，闪电战的“台风攻势”破产了。与此同时，也标志着苏军的反攻即将开始。
还在11月29日，朱可夫大将就给斯大林打电话，汇报战场情况，请求最高统帅下令开始反攻。斯大林对朱可夫大将的分析听得很认真，并问道：
“你确信敌人已经接近危机状态了吗？敌人有没有可能投入新的兵团呢？”
朱可夫毫不迟疑地回答：“敌人已经极度虚弱，但是如果我们现在不及时消除敌人楔入的危险，德国人将会从北方集团军和南方集团军抽调强大的预备队来加强莫斯科地区的力量，那时局势可能会更加复杂化。”
斯大林告诉朱可夫说，他将同参谋部再作进一步的研究，然后作出决定。
当天晚上，朱可夫就接到通知，最高统帅部已经决定开始反攻，并要求朱可夫尽快呈报反攻战役计划。
第二天早晨，朱可夫大将就把反攻战役的计划报告了最高统帅部。斯大林仔细阅读分析了计划，没有作任何修改，便签字批准了。
朱可夫制订的反攻战役计划的总意图是在西北方面收复克林、索涅奇诺戈尔斯克；在西面解放伊斯特腊；在南部解除德军对图拉的包围，从而消除莫斯科面临的危险，并进一步扩大战果，尽可能把德军向西赶得越远越好。
在苏军大反击前夕，德军虽然兵力上优于苏军，但战线拉得太长，两翼的突击部队相距200公里，兵力分散。与此相比，苏军虽然在兵力上不占优势，但却比较集中，即使在莫斯科防御战最困难的时刻，他们仍然严格限制使用预备队，以保存实力，等待时机，打击敌人。
1941年12月6日清晨，朱可夫的西方方面军从莫斯科南、北两面开始了反攻。与此同时，友邻方面军积极配合，在最高统帅部的统一指挥下，分别在加里宁和耶列茨地区向前推进。苏德双方展开了大规模的战斗。
经过10天的较量，已经削弱和疲惫不堪的德军遭受了严重打击，在苏军的强有力反击中，向西节节败退。到12月16日，苏军已经把德军赶出了加里宁、克林和耶列茨。
得知前线的战况后，希特勒在大本营气急败坏，大喊大叫，并开始追究前线指挥官的责任。德军南线部队司令员伦德施泰特、坦克集团军司令古德里安等高级将领被革职；12月18日，希特勒任命冯·克鲁格元帅接替“病情加重”的德军中央集团军群总司令、陆军元帅冯·博克；陆军总司令冯·布劳希奇元帅曾两次请求辞去职务，12月19日希特勒正式批准了他的请请，由他本人亲自担任陆军总司令。
希特勒担任德军陆军总司令后，发布了一道严令：前线部队不得撤退一步，坚决死守，直到最后一兵一卒、一枪一弹为止。按照希特勒的命令，德军转入防御，拼命死守。尽管德军作拼命挣扎，然而，到12月底，莫斯科方向上的德军已经到了山穷水尽的地步了。
在莫斯科会战中，在以朱可夫大将指挥的西方方面军为主力的苏军沉重打击下，德军共损失了50万人，1，300辆坦克，2，500门火炮，1万多辆汽车和大量其他军事装备。与此向时，苏军把德军向西赶出150～300公里，收复了克林、加里宁、卡卢加等城市，解放了1万多个居民点。
莫斯科战役是德国法西斯发动第二次世界大战以来所遭受的第一次大惨败，它大大鼓舞了整界反法西斯主义的斗争，打破了希特勒“闪电战”不可战胜的神话。莫斯科战役后，德军的有生力量大大削弱，从此开始走下坡路。与此相反，苏军得到了进一步的发展壮大，全军将士斗志更高。