11月中旬，苏军的反突击和德军向莫斯科的大规模进攻几乎同时开始。德军的优势装甲兵力在苏军的顽强抵抗下步步进逼。但是苏联严寒的冬天使德军遭遇到很大麻烦。冬衣和在严寒气候中用来保养装备的物品严重不足。德军在几个单独的地段已逼近到距莫斯科30公里以内。
在这严峻时刻，朱可夫依然充满自信，他向心情沉重的斯大林保证，他能守住莫斯科。到12月5日，西方方面军对面各个地段的德军都已精疲力尽，开始转入防御。而苏军对疲惫不堪冻得半死的德军发起了强大的反攻，德国人的进军步伐就在莫斯科大门口被挡住了。
朱可夫指挥的西方方面军开始在莫斯科南北两方运动。他要求部队不要在敌军防御中心进行正面突击，而应让先锋梯队毫不停留地绕过去，让后继的梯队来消灭他们。他还冒着巨大危险把他的指挥所设在最前线，以保证能与下属保持密切的联系。
到12月底，德军在莫斯科城下遭到惨重失败，西方方面军俘获了1000多辆坦克，1434门大炮及大批其他军事物资。莫斯科战役是红军第一次使德军一个主要作战集群遭受重大战略失败的军事行动，德军被打死或被俘的共约30万人。莫斯科战役宣告了德军闪电战的失败。
到1942年2月下旬，整个苏德战场平静了下来。但随着春天的到来，希特勒在4月5日向德军发出了新指令：一俟天气及地面条件有利，突入高加索，夺取那里的油田，并向斯大林格勒推进。