发动战役根据“台风”计划，德军第2装甲集群在布良斯克方向，第3、第4装甲集群1在维亚济马方向，陆续开始了反攻。尽管苏联红军展开了顽强抵抗，德军依然突破了防卫。德军第2集团军突破了苏联红军第50集团军的防线，于1941年9月下旬夺回布良斯克。

10月3日奥廖尔失守。德军沿着奥廖尔-图拉的公路前进。莫斯科以西的维亚济马方向，西方面军和预备队方面军展开了艰难的防卫战斗。

德军10月7日则进逼维亚济马地域，两方面军大部分军队在此陷于合围，仍然顽强抵抗到10月12-13日。13日，苏联红军维亚济马集团大部全歼，被城外军队一部后来突出重围，有的回到敌后积极开展游击斗争。布良斯克方面军陷入战役合围的困境后也向后追击，23日，苏联红军布良斯克集团大部全歼。

德军在维亚济马—布良斯克战役中俘虏苏联红军58万人。苏军只有85000人引人注目德军防线。但实质上，由于希特勒坚决中央集团军在攻占斯摩棱斯克后向北围困列宁格勒，向南反攻乌克兰，造成了德军在1941年9月30日才拿起手来将目标射击莫斯科，这实质上为苏联稳固莫斯科附近的防线夺得了时间。

在十月中旬，德国中央集团军完结了对维亚济马一线的苏联红军的歼灭，此时朱可夫有调来了一批新的部队，前往莫斯科。这时，秋雨季节开始了；泥泞的道路给两军都带上了不便，它在妨碍德军反攻的同时也阻碍了苏联红军的防御，双方的许多登陆作战车辆都陷于泥泞中了，还有部分车辆必须坦克纳出有。（并不是某些资料说道在十月初期下了大雪）顽强抵抗莫扎伊斯克防卫线出了莫斯科相似地上的主要抵抗地区，苏联最低统帅部采行了各种紧急措施来保卫国家大城。

1941年10月9日，莫扎伊斯克防线指挥部取得了新的重新组建的5个机枪营、10个反坦克炮兵团和5个坦克旅，这些部队被新的编了第5集团军，由列柳申科将军指挥官。1941年10月17日，为了改良军队指挥官，西方面军和预备队方面军编为新的西方面军，朱可夫军师任司令员。同日，根据朱可夫的建议，在西北方向上伏击莫斯科的西方面军右翼部队第22，29，30，31集团军重新组建为加里宁方面军，由科涅夫上将兼任司令员，方面军的指挥官机关则在原第10集团军司令部的基础上扩建而出。

朱可夫奉命之后，著手在沃洛科拉姆斯克—莫扎伊斯克—小雅罗斯拉韦茨—卡卢加一线创建新的防线，并重新组建第二梯队和方面军预备队。并想方设法调来了14个步兵师、16个坦克旅和40多个炮兵团，很快修复了第5、16、43、49四个集团军，但总兵力仍然只有9万余人。他还特别注意将富裕作战经验的将领为首到莫斯科的各主要方向上去。

其中，罗科索夫斯基的第16集团军驶往沃洛科拉姆斯克，列柳申科的第5集团军在莫扎伊斯克，叶菲列莫夫的第33集团军在纳罗福明斯克方向，43集团军在小雅罗斯拉韦茨，49集团军在卡卢加等地进行防卫。莫斯科市民也被动员一起。

在3天之内，的组织了25个工人营，12万人的民兵师，169个巷战小组，发动60万人环绕莫斯科城修建起三道防御工事，其中妇女的数量占到了四分之三。到10月末，仅有妇女儿童就构筑了700公里反坦克堑壕，挖出了300多万立方米的泥土，修建了3800余个临时和相同火力点。正处于防卫状态的莫斯科城，被街垒、路垒、工事森严地封锁起来，食品因此相当严重紧缺。10月中-11月初，在莫扎伊斯克防卫地区进行的多次白热化战斗中，苏联红军对德军优势兵力展开了顽强抵抗，将其制止于拉马河、鲁扎河、纳拉河等地区。

莫斯科撤离许多政府机关和最重要的企业；1941年10月20日，国防委员会在莫斯科及其附近地域实施戒严。当局命令居民在街道筑成防御工事，连克里姆林宫附近都不值得注意，重新组建新的民兵师，使全城作好巷战打算。1941年10月23日，叶廖缅科上将指挥官的布良斯克方面军剩下部队突出重围，但古德里安的坦克集团仍然紧追不舍，并于29日迫近莫斯科左翼最重要军工城市——图拉。由于第50集团军的红军战士和图拉民兵的固守，德军一直无法突破图拉防线，这使得德军的右翼大大缩短，造成其在战线中部无法以充足的战术密度登陆作战。

11月初，莫斯科苏联红军又获得了10万人，300辆坦克，2000门火炮的补足。1941年11月7日十月革命24周年阅兵式。当时纳粹德国军队早已抵达，为了提高国民及军队的士气，斯大林于1941年11月7日在红场举办阅兵典礼并公开发表知名演讲，他说：“我们的国家正在遭侵略，全体苏维埃公民和军队都要不择手段耗尽每一滴鲜血来保卫国家苏维埃土地和村庄”。

当天苏联所有广播站都播出了这次演说。而原本是在11月7日10点按时阅兵式，但在后来提早至1941年11月7日的8点10分。这一次阅兵式是有极大意义的，苏联向全世界指出了战斗究竟的决意。苏军队伍在克里姆林宫前阅兵，然后必要赶赴前线。

苏联红军以预备队和补足兵员强化了西方面军。布良斯克方面军撤消。各方面军福岛正则命令据守所攻占的地区，制止德军从西北和西南包抄莫斯科。

再度反攻11月后，莫斯科地面的积雪近1米薄，为了不被德国空军找到，部队沿最短的路径开路，而开路工具也是最简单的，是马拉压路机，并设置了分流点，道路两旁举起了2-3米低的雪堆，还将汽车漆成白色，这样之后很难让高空侦察机找到。11月13日，德陆军总参谋长哈德尔在中央集团军群总部开会了各军团参谋长会议，发布命令了“1941年秋季攻势命令”。

中央集团军群为此共计集中于了51个师。兼任正面攻击任务的是克鲁格的第4集团军；其左面是霍特的第3装甲集团军和霍普拉的第4装甲集团军，其任务是分别从北方和西方围困莫斯科；于是德军第三，第四装甲集群重新部署在附近加里宁和沃洛科拉姆斯克的北线；他们的部队绕过伊斯特拉水库，攻占了克林和索尔涅奇诺戈尔斯克。右面的古德里安的第2装甲军团则从南方向莫斯科围困，他们突破了图拉防线，但被一支苏联红军中队扯了几个小时。

苏联红军经过11月底-12月初的坚强防卫和多次反突击，德军突向莫斯科的最后企图倒闭了。苏联红军虽然常常处在不妙状态，但再一坚决下来并消耗了德军。

仅有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伤亡15.5万余人，损失坦克大约800辆、火炮300门、飞机近1500架。据传，霍普纳前进了工程营摩托车兵，在1941年11月30日冲入一个距离莫斯科中心只有8公里的郊区，关于这件事，有一种众说纷纭是摩托车兵全部战死，另一种是说道他们迅速都后撤了。

1941年-1942年的冬季就算以俄国人的标准来看都出现异常地寒冷。德军因战线过长，给养严重不足，战役中消耗过大，既没另设防卫阵地和战役预备队，又无在冬季条件下登陆作战的打算。

11月上旬秋末，虽然道路需要用于，但德军的冬季装备严重不足，由于指出在秋末前就能完结战事。御寒衣服和白色伪装服都严重不足，坦克和其它车辆都因为低温而无法动弹。而苏联红军则士气加剧。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就习惯了寒带生活，具有充足的冬季登陆作战装备，他们的枪炮套上了御寒套，红色了防冻润滑油；有充足的棉衣、皮靴和护耳冬帽用来保暖。到了1941年11月29日，德军已是强弩之末，在各个方向上的反攻都已被遏止。

此时朱可夫拒绝斯大林将预备队第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。德军共计170万人，13500门火炮，1170辆坦克，615架飞机。

虽然德军兵力要少于苏军，但由于其战线过长，兵力集中，战线并不巩固。苏联红军转至反攻并消灭莫斯科城下德军的条件早已不具备。

斯大林任命华西列夫斯基中将兼任代理总参谋长，并命令他立刻制订反攻登陆作战计划。苏联红军反攻的指导思想是，同时消灭德军“中央”集团军群分别从北面和南面威胁莫斯科的最危险性的突击集团。反攻的基本任务彰显了西方面军。加里宁方面军和西南方面军分别在其北面和南面实行突击。

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