自從德軍因爲天氣原因無法組織有效的進攻，加上天氣越發的寒冷，導致德軍軍需物質的匱乏，戰線拉長等，德軍一路停止了進攻。
可蘇軍卻在得到喘息的時間之後，一直到10月底，蘇軍最高統帥部開始抽回一些部隊作爲預備隊，使其得到必要的休息，新的預備隊也在源源不斷地趕到。
10月末，前線，加裡寧-庫賓卡-謝爾普霍夫-阿列克辛-圖拉。德軍雖遭重大損失，但仍增調兵力，變更部署，企圖在冬季到來以前合圍並佔領莫斯科。
莫斯科成爲德軍的空襲目標。莫斯科防空部隊同空中德軍空軍作了頑強鬥爭，10月間，德軍對莫斯科進行了31次空襲，共有2000架飛機參加，其中278架被擊落，只有72架闖入莫斯科上空。
軍隊和勞動者在莫斯科近接近地構築新防禦地區，爲構築防禦工事動員了45萬首都居民，其中75%爲婦女。莫斯科疏散許多政府機關和最重要的企業。
10月20日，國防委員會在莫斯科及其附近地域實行戒嚴。當局命令居民在街道築起防禦工事，連克里姆林宮附近都不例外，組建新的民兵師，使全城做好巷戰準備。蘇聯政府向東撤退到古比雪夫(現在的薩瑪拉)，但斯大林仍然留在莫斯科。
11月初，莫斯科蘇軍又得到了10萬人，300輛坦克，2000門火炮的補充。
爲了提升國民及軍隊的士氣。斯大林命令在11月7日於紅場舉行紀念十月革命的閱兵式。隊伍在克里姆林宮前檢閱，然後直接開赴前線。蘇軍以預備隊和補充兵員加強了西方面軍。11月10日。布良斯克方面軍撤銷。各方面軍受領命令扼守所佔領的地區，阻止德軍從西北和西南迂迴莫斯科。
11月13日。德陸軍總參謀長哈德爾在中央集團軍羣總部召開了各軍團參謀長會議，下達了“1942年秋季攻勢命令”。中央集團軍羣爲此共集中了51個師。擔任正面攻擊任務的是克魯格的第4集團軍；其左面是霍特的第3裝甲兵團和赫普納的第4裝甲兵團，其任務是分別從北方和西方包圍莫斯科；右面的古德里安的第2裝甲軍團則從南方向莫斯科包圍。
11月14日，斯大林和沙波什尼科夫下達反突擊的命令。朱可夫是不同意這樣做的。反突擊是由羅科索夫斯基的第16集團軍和扎哈爾金的第49集團軍進行的，反突擊的目標是沃洛科拉姆斯克地區和納臘河下游地區的德軍北翼和南翼。此舉除牽制了克魯格的部分兵力以外，收效甚微。
11月15日-18日，德軍經過調整和補充後，向莫斯科重新發起進攻。德軍在加裡寧沿克林、羅加切沃方向和圖拉方向分別實施主要突擊企圖從北面和南面迂迴莫斯科，另外11月17日以斯大林爲首的蘇聯最高統帥部下發了第0428號命令,該命令的目的是摧毀和焚燒前沿的所有居民區。
11月底-12月初。德軍付出了巨大損失的代價，前出到莫斯科運河。12月4日加裡寧淪陷。12月5日莫斯科以南165公里的小鎮圖拉被局部包圍。
德軍遇到蘇軍頑強抵抗。莫斯科附近的戰鬥變得越來越激烈。
蘇軍派了無數新兵和自願者，甚至一個婦女營投入到德軍的機槍炮火中。在莫斯科保衛戰中，蘇軍的一個戰鬥小組表現的尤爲感人，他們守衛在距離莫斯科200公里的一個公路路口，在與德軍鏖戰4個小時之後，他們擊毀德軍18輛坦克，擊斃德軍數十人，自己也只剩28個人。政治指導員克羅奇科夫爲激勵戰士，說出了“俄國雖大，但已無路可退，身後就是莫斯科”這一激動人心的話。最後，28名勇士彈盡糧絕，全部犧牲。克羅奇科夫抱着一捆手榴彈撲向德軍，炸燬了一輛德軍坦克。”蘇軍經過11月底-12月初的頑強防禦和多次反突擊。德軍突向莫斯科的最後企圖破產了。
蘇軍雖然經常處在危急狀態，但終於堅持下來並消耗了德軍。僅11月16日-12月5日。德軍在莫斯科附近就死傷15.5萬餘人，損失坦克約800輛、火炮300門、飛機近1500架。
1942年的冬季就算以俄國人的標準來看都異常地嚴寒。
德軍因戰線過長，補給不足，戰役中消耗過大，既沒有設防禦陣地和戰役預備隊，又無在冬季條件下作戰的準備。11月上旬入冬，雖然道路能夠使用，但德軍的冬季裝備不足，由於認爲在入冬前就能結束戰事。保暖衣服和白色僞裝服都不足，坦克和其它車輛都因爲低溫而不能動彈。德軍士氣嚴重受挫。而蘇軍則士氣高漲。
對莫斯科的蘇軍而言，情形則恰好相反。來自西伯利亞的蘇軍早已習慣了寒帶生活，有着足夠的冬季作戰裝備，他們的槍炮套上了保暖套，塗上了防凍潤滑油；有足夠的棉衣、皮靴和護耳冬帽用來防寒。英國和美國向蘇聯援助了850萬雙軍靴，1萬零500噸制靴皮革。
蘇軍轉入反攻並粉碎莫斯科城下德軍的條件已經具備。斯大林任命華西列夫斯基中將擔任代理總參謀長，並命令他立即擬定反攻作戰計劃。
蘇軍反攻的指導思想是，同時粉碎德軍“中央”集團軍羣分別從北面和南面威脅莫斯科的最危險的突擊集團。反攻的基本任務賦予了西方面軍。加裡寧方面軍和西南方面軍分別在其北面和南面實施突擊。
1942年12月5日，朱可夫帶領蘇軍發動大規模反擊，此時德軍進攻能力顯然已經衰竭。
其中最主要的攻勢集中向中央集團軍羣。12月6日，攻勢在莫斯科地區全面展開。
秋季期間，朱可夫從西伯利亞和遠東地區調回了一些裝備精良的部隊到莫斯科，但一直留待反擊之用。他相信蘇聯間諜理察佐爾格的情報，指日本不會攻擊蘇聯東部，在此之前佐爾格已經預計到巴巴羅薩計劃。此時敵人已經非常接近莫斯科中心，他投入大量援軍以對抗德軍的攻勢，包括新建造的T-34坦克和喀秋沙火箭炮。蘇軍部隊已經爲冬季戰事準備好，包括多個滑雪營。
12月8日，希特勒簽署了在蘇德戰場全線包括莫斯科方向轉入防禦的訓令。
12月9日，蘇軍解放了羅加切沃，11日解放了伊斯特拉，12日解放了索爾涅奇諾戈爾斯克，15日解放了克林，16日解放了加裡寧，20日解放了沃洛科拉姆斯克。
12月16日，蘇軍解放了圖拉。
12月19日，希特勒免去了陸軍總司令勃勞希契的職務，自己親自兼任陸軍總司令。
他發佈命令說：“每一個人應站在其現在位置上打回去。當後方沒有既設陣地時，絕對不許後退”。雖然德軍將領都一再要求撤退，而且古德里安和赫普納都因擅自撤退而被免職，可是希特勒卻認爲萬萬不可以退卻，否則就會重蹈拿破崙的覆轍。
雖然是由於他的固執，纔會使這個戰役走到了慘敗的邊緣，可是也因爲他的固執，才使他不曾跳入這個深淵。
毫無疑問的，因爲他不肯撤出蘇聯或是斯莫棱斯克以東的地區，才使他的大軍避免了一個比1812年還更可怕的浩劫。
希特勒的計劃與拿破倫不同，不是全線撤退而是向後方運動，將原前進的補給線都變成了抵抗據點，到12月底，在莫斯科西南方向，蘇軍收復了卡盧加。
在西北方向，加裡寧也被蘇軍收復。東南方向，蘇軍解除了德軍對圖拉的包圍。莫斯科會戰結束，蘇軍取得了蘇德戰爭爆發以來的第一次大勝利。
德軍損失人員50餘萬，坦克1300餘輛，火炮2500門。德軍不得不改“閃擊戰”爲持久戰。
1943年1月7日亦都重奪了莫斯科以北的加裡寧。
1月初，西部戰略方向的反攻乃告完成。
精疲力竭的德軍已經撤退到100至250公里外。
德軍38個師，內15個坦克師和摩托化師遭重創。
進攻莫斯科的突擊集團被擊潰，使德軍驚慌失措，希特勒要求死守每一個居民地，一步也不後退，直到最後一兵一卒。
1月8日西方面軍，加裡寧方面軍和布良斯克方面軍（12月24日重建）實施了進攻戰役進攻維亞濟馬。
由於缺乏實施大規模進攻行動的經驗以及缺少快速兵團，因而未能全部完成所賦予的圍殲“中央”集團軍羣基本兵力的任務，2月初，來自西歐的德軍增援部隊（12個師又2個旅）和中央集團軍羣北翼部隊，分別實施反突擊，蘇軍的態勢惡化。
4月20日，蘇軍最高統帥部命令西方向部隊轉入防禦、撤回外線作戰部隊，會戰至此結束。
1942年4月，進攻莫斯科的德軍被擊斃擊傷16萬8千人，被蘇軍趕到了距離莫斯科100乃至350公里以外的地帶。蘇聯付出了傷亡和被俘70多萬人的慘重代價，取得了莫斯科保衛戰的最後勝利。
可這真的就勝利了嗎？沒有人知道，蘇俄的下一個對手，有多麼的恐怖。也正是他們的到來，徹底改變了全世界。