斯大林似乎忽视了种种德国即将入侵的迹象。他没有说过一个字以表示公开抗议，也禁止政府控制的新闻媒体讨论这些事情，并且没有表现出要动员他的武装部队的意思。充分认识到1914年由于沙皇尼古拉二世动员部队从而引发了德国的宣战，斯大林决定不给希特勒同样的借口。俄国领袖显然认为希特勒，除非他被激怒，在没有发出某种最后通牒前不会挑起战争。为了安抚希特勒，斯大林甚至继续按照同德国达成的一项贸易协定用船向德国运输谷物和其他物资。与此同时，他深谋远虑地同日本谈判一个中立条约。
斯大林竭力想为他的武装部队赢得时间。红军正在进行一个现代化革新计划以弥补芬兰战争期间暴露出来的许多不足之处。同时，刚被任命为最高统帅部参谋长的格奥尔基·朱可夫将军正在加速完成他全面防御的计划。朱可夫的计划是对30年代制定的苏联进攻战略的改进。没有在边境附近部署大量的防御部队，而是在150多英里的纵深建立3条连续的防线。朱可夫希望这3个防区能够钳制德国装甲部队的进攻，以便使最后梯队，即战略预备部队，组织一次决定性的反击。
春季末期，沿边界部署的德国入侵部队人数超过了苏联第一条防线（据估计为100万人），比例高于三比一。德军由150个师组成：其中19个是装甲师，以及14个摩托化步兵师。入侵者的主要目标是通过坦克纵深进攻包围苏联红军，并在边界与由德维纳河和第聂伯河形成的南北走向的战线之间歼灭红军，这个区域向东伸展大约有300英里。
按照计划，在6月的侵略战争中入侵部队分为3个集团军群。北方集团军群规模最小。它的31个师向东北移动，从东普鲁士进入拉脱维亚，清除波罗的海国家，并占领列宁格勒。芬兰将提供援助，在德国入侵后的两个半星期以14个师的兵力从北方发起进攻。中央集团军群规模最大。它的57个师将进攻普立伯特沼泽北部，一片辽阔的沼泽地沿边界延伸150英里。这个集团军群的两个平行纵队向东插入白俄罗斯，进攻斯摩棱斯克和莫斯科。南方集团军群，由48个师组成，被分为两个庞大的独立侧翼部队。强大的北翼部队沿着普立伯特沼泽南部边缘向东进攻乌克兰。它的目标是第聂伯河和基辅城。规模相对较小的南翼部队，由六个德国师和约20万人的罗马尼亚部队组成，于7月1日越过罗马尼亚边界发起进攻。这样，除了陆军总司令部的14个战略预备师以外，所有部队在头两个星期内都投入作战。
巴巴罗萨行动按照计划于6月22日凌晨三点刚过就开始了。夜幕开始撤去时，成千上万门德国火炮立刻喷发出令人恐惧的掩护炮火。上百架轰炸机闪电般越过边界线攻击边境以东200英里的苏联机场和部队集结地。然后坦克开始进攻，坦克两侧悬挂着口粮包和附加油料液体罐。
库佐奥·马拉帕蒂，南方集团军群的意大利随军记者，描写了攻击最初几小时的景象：“坦克的排气管喷出蓝色的烟舌。空气中弥漫着刺鼻的气体，硝烟的浅蓝色混杂在草地潮湿的绿色和玉米地的金色反光中。呼啸而过的施图卡轰炸机编队下面，坦克机动部队犹如在摩尔多瓦平原的辽阔石板上用一支铅笔划出的一条条细线。”
许多坦克先头部队和紧随后面的步兵部队不得不越过险峻的天然障碍。在中部，他们面对布格河，布格河自从1939年起就成为苏联和德国占领的波兰的界河。乘坐橡皮艇的步兵冒着苏联的炮火占领了对岸，并让作战工程兵部队修建了浮桥。步行和乘坐摩托车的进攻部队在苏联红军被动员前，穿过现有的桥梁突然袭击防御部队并令他们的炮火攻击能力完全瘫痪。攻击的突然性令苏联红军的前沿部队措手不及，德国人完好无损地占领了布格河沿岸的每一座重要桥梁。
在布列斯特—里托夫斯克老边界堡垒的北部，第18装甲师的80辆坦克没有架设桥梁就穿越了布格河。它们干脆钻入13英尺深的河水，在河床上行进。这些原先设计用来人侵英国的两栖坦克，是专门经过改装用于水下行进的常规III型和Ⅳ型坦克：一种防水化合物封住了所有的坦克外部出口，除了坦克外壳和炮塔之间的空隙，这个空隙用一种可膨胀的橡皮圈封住。钢管供给新鲜空气和排出废气，这些钢管是后来装备于潜艇的通气管的前身。穿越河水的两栖坦克得到了德军50个炮兵连的炮火掩护。
“一个壮观的景象，”第18师指挥官瓦尔特·尼赫林少将回忆道，“但是没有起到任何作用，因为俄国人非常机智地将部队撤出了边界地区。”
当装甲部队从波罗的海到喀尔巴阡山脉冲破敌人的防线时，德国空军开始了它的空中打击。首要目标是德国高空侦察机拍摄下的前沿机场。德国飞行员非常高兴地发现地面机场的景象同他们研究过的和平时期的照片惊人的一致。“我们简直不敢相信自己的眼睛，”在利沃夫地区驾驶梅109战斗机的汉斯·冯·哈恩上尉汇报。“一排排的侦察机、轰炸机和战斗机像是检阅一样排列成行。”
德国的破坏炸弹摧毁了这些机场。四磅重的轻型导弹飞散出的被称为“魔鬼蛋”的钢片炸坏了停泊着的一排排飞机。在布列斯特—里托夫斯克附近的一个基地，魔鬼蛋迅速摧毁了企图起飞的一个中队的苏联战机。奋力飞上天空的陈旧敞舱I—16战斗机也被德国的梅塞施密特战斗机打成碎片。笨重的苏联轰炸机在没有护航的情况下勇敢起飞轰炸入侵之敌，但被众多的德国战机击落。德国空军元帅艾尔伯特·凯瑟林形容击落它们的战斗为“屠杀婴儿”。
入侵当天到夜幕降临时，德国空军至少摧毁了1800架苏联飞机，它们中一半以上的飞机是在地面上被消灭的。由空军掩护的装甲先头部队已冲破所有的防线。成千上万的苏联士兵成为战俘；十几个也许更多的苏联师被打散或打退。只有在南线德国人遇到一些有组织的抵抗。
斯大林把绝大多数部队部署在那里，错误地判断德国的主要进攻方向是乌克兰的农业和工业目标。
德国空军破坏了红军主要依赖的电话和电报线路的通信联络，并且因此导致苏联最高统帅部出现指挥混乱。朱可夫将军希望他的多层防线的第一道能逐步后撤，为后续防线赢得时间发动一次反攻。他没料到德国人发起的进攻是如此迅猛，打击是如此沉重。斯大林也被德军毁灭性的突破所震惊，以致于德军进攻开始了4个小时他都没有发布反攻的命令。
在柏林，希特勒得知第十天的惊人战绩后异常兴奋。在入侵的前一天晚上，他写信给他意大利的伙伴贝尼托·墨索里尼，第一次告诉他即将开始的进攻，并且表示在感觉“精神上自由”后心情很愉快——从德国同苏联22个月结盟的“痛苦折磨中解脱出来”。6月24日，入侵后两天，希特勒乘火车到达他的新总部，他称为狼穴，位于东普鲁士的拉斯特堡附近。那里，在茂密森林深处建造了许多木制营房和混凝土房屋，希特勒开玩笑说那里的蚊子太大，他不得不要求德国空军的支援。
希特勒总部的东边，威廉·里特·冯·李布元帅指挥的北方集团军群向列宁格勒进发。他的第4装甲集群，侧翼在两个步兵军的掩护下，越过了梅默尔河。在左翼，第18集团军沿波罗的海海岸进军，直捣拉脱维亚的老首府和海港里加；在右翼，第16集团军通过保持同中央集群的联系对它的侧翼提供保护。在中间，第56装甲军在入侵当天快速挺进50英里占领通往波罗的海沿岸腹地的门户——拉脱维亚安罗格拉村庄附近跨越大杜比萨峡谷的公路和铁路高架桥。
尽管这支装甲部队只遇到零星的抵抗，第4装甲集群的另一个军在前进的道路上却遇到了惊人的抵抗。6月23日晚上，在拉塞尼埃村附近，第41装甲军遭遇到300多辆敌军坦克。这些坦克许多是重型坦克，大部分德国人对它们的性能一无所知。这种坦克叫作克利门特·伏罗希洛夫或简称为KV，是以十月革命一位英雄命名的，这些巨兽在许多方面比德军的坦克性能优越。重50多吨，KV-1重量是德Ⅲ型坦克和Ⅳ型坦克的两倍，装甲比德国坦克厚两到三倍，但是最高时速只比德国坦克慢几英里。另外，KV-1以及更重型的KV-2轮距很宽，更便于在北部战线的沙地和泥地里行进。“我们的连队在大约离敌人800码处开火，但是毫无用处，”第1装甲师的随军记者写道。“我们逐步向敌人靠近，敌人毫无惧色继续向我们开过来。我们迅速在50-100码处同它们对峙。一场激烈的交火爆发了，但没有迹象表明德国人会获胜。俄国坦克继续推进，我们的穿甲弹打上去就反弹出来”。
坦克大战经历了两天多的时间。苏联坦克抵挡住了反坦克炮弹以及德国坦克上55毫米和75毫米加农炮炮弹。
一辆KV-2坦克挨了70多发炮弹，没有一发炮弹打穿它厚厚的装甲。德国坦克首先通过攻击脆弱的履带使一些俄国坦克失去了机动性，然后利用炮火在近距离猛轰这些不能动弹的巨兽。战斗工兵徒步用炸药包攻击其它的坦克。
最终，6月26日早上，这个军的司令官、参加法国闪电战的老将乔治—汉斯·赖因哈特中将给苏联红军的坦克部队上了一堂战术课。一个师在前线坚守，另一个师从侧翼发起反击，迫使敌人的坦克进入一块沼泽地。苏联人在发动正面攻击时步调不一致，显示出缺乏作战经验，损失了将近200辆坦克。
在同一天早上，第56装甲军进一步向东北方极为重要的目标快速挺进。这个军由艾里奇·冯·曼施坦因中将指挥，他是一名优秀的战略家，曾于1940年帮助制定了侵略法国的计划，现在他证明自己在战地同样优秀。每当他的部下畏缩不前时，他就在指挥坦克上高喊“继续前进！继续前进！”，他指挥他的坦克部队在四天里前进了200英里并消灭了70辆敌人坦克。这次攻击的目标是德维纳河以及位于拉脱维亚陶格夫匹尔斯城的几座桥梁，该城市是列宁格勒和边界之间的一个重要铁路交通中心。一旦占领了250英尺长的公路桥和铁路桥，曼施坦因就打开了通往列宁格勒的道路并切断道加瓦河以南苏联军队的进攻道路。
曼施坦因在离桥四英里的地方停下他的坦克部队。此时计谋代替了速度。为了避免惊动苏联人，使他们来不及炸掉桥，他派了大约20几名勃兰登堡团的士兵，这是一支专门受训执行此类任务的突击队。伪装成受伤的红军战士，勃兰登堡战士乘坐四辆缴获的苏军卡车，由会说俄语的德国人驾驶，并且还穿着苏军制服。他们非常顺利地混入苏联军队的车队里，路边的苏军士兵还向他们挥手并相互问候。
快到河边，这支车队分开了。一辆卡车向铁路桥开去。苏军哨兵识破了他们的诡计并开火后，他们不得不投入战斗。勃兰登堡士兵切断了桥上爆破装置的电线，尽管一个炸药包意外地爆炸了，但只造成很小的损失。另外三辆卡车上他们的同伴攻击公路桥。他们压死了正在同第一辆卡车交火的一名哨兵，快速穿越拆除了安放在桥墩远端的炸药，并且打死了其余的哨兵。
这些勃兰登堡士兵不久就为他们的冒险行动付出了代价，苏军士兵从桥的两端冲了上来。包括指挥官沃尔夫莱曼·克纳克中尉在内的6名德国人被打死，其余的人当中许多人负伤。德军增援部队及时赶到救出了这些幸存者，并完整地占领了这两座桥。不久，曼施坦因的装甲部队轰鸣地开到河对岸并击溃了从陶格夫匹尔斯街道里冲出来的俄国人。勃兰登堡士兵在距列宁格勒不到300英里的道加瓦河交通要道采取的突击行动是曼施坦因装甲部队进军的最高潮。“迅猛地突破”道加瓦河，后来他写道，是“一名坦克指挥官梦想的实现。”
曼施坦因的梦想很快在挫折和艰难行军中破碎了。他的军被要求在道加瓦河桥头堡等待6天，直到其它的装甲部队和步兵赶上来。接着，当德军先头部队继续向东北方向前进时，装甲部队遇到了俄国人更加顽强的抵抗，而且泥泞的地形越来越不适于装甲部队行进。尽管北方集团军群在第一个星期内取得了令人瞩目的战绩，但是它未能完成在道加瓦河以南包围敌军大部队的任务：在红军从波罗的海各国撤退到老俄国他们熟悉的地带时，只俘虏了6000名红军。
德国最高统帅部内关于战术问题的意见不一进一步导致更多问题的出现和延误。让装甲先头部队与步兵距离太远并在攻击时暴露侧翼是否太冒险？装甲部队开往列宁格勒前是否要确保波罗的海海港的安全？这样的问题在各级指挥系统产生了混乱和抱怨。希特勒也从他的拉斯登堡总部干涉作战决策。虽然如此，北方集团军群还是向前挺进。七月的第二个星期，装甲先头部队攻破了斯大林防线的防御阵地，斯大林防线是1940年前苏联的边界线。在7月14日，赖因哈特的第41装甲军穿过卢加河并在距离列宁格勒不到80英里的地方建立了一个桥头堡。
在德国战线的另一侧翼，南方集团军群进展顺利，尽管没有北方部队那么迅速。西乌克兰的苏联军队是红军中人数最多、指挥最得力及装备最精良的部队——是“最为顽强的敌手，”冯·龙德施泰特陆军元帅承认道，他是南部战线经验丰富的指挥官。南方集团军群的两翼将最终在基辅南边的第聂伯河的大弯处会师，基辅是乌克兰的老首府和苏联第三大城市。在右翼，在罗马尼亚作好战斗准备的德军第11集团军，得到了罗马尼亚军队的增援，在6月底期间只不过在普鲁特河对岸建立起桥头堡。它部署在那里是为了阻止红军可能发动反攻占领罗马尼亚普洛耶什蒂油田。与此同时，左翼部队——第1装甲集群，侧翼由第6、17集团军掩护——从波兰南部发动进攻并且遭到苏联部队在第一个星期战斗中最强烈的抵抗。
在一系列同顽强的敌坦克交战中，装甲部队缓慢向前推进。6月23日，已经渗入乌克兰50英里，冯·克莱斯特将军指挥的5个装甲师遇到了曾在波罗的海地区给他们友邻部队造成威胁的重型KV坦克。他们还碰到一种新的中型坦克，T-34。