Ya en julio de 1941, los rusos sabían que los alemanes iban a romper sus defensas y amenazar Moscú. El 3 de julio, el cuerpo de Lenin fue trasladado de Moscú a Tumen para evitar su captura o destrucción por los alemanes. Poco más de dos semanas después, el 22 de julio, 127 bombarderos alemanes atacaron Moscú, dañando incluso ligeramente el Kremlin.
Como respuesta, se ordenó a los moscovitas que construyeran casas simuladas en los terrenos del Kremlin y que pintaran el tejado del edificio para confundirlo con el resto de la ciudad. También se levantaron barricadas en las calles para preparar un ataque alemán. Sin embargo, Moscú estaba orgullosa, ayudada por la maquinaria propagandística de Iósif Stalin.
Un ejemplo fue el desfile del 7 de noviembre para celebrar el aniversario de la Revolución de Octubre, en el que los soldados rusos marcharon directamente por la Plaza Roja hacia los campos de batalla del oeste.
Después de una serie de ataques y contraataques de ambos bandos, las tropas alemanas empezaban a mostrar signos de fatiga. Los reemplazos llegaban lentamente, en parte debido a la acción imprevista en los Balcanes y Creta, mientras el brutal invierno ruso se acercaba peligrosamente.
Los rusos, por otro lado, vieron los refuerzos relativamente frescos del recién llegado Georgi Zhukov y sus tropas del Lejano Oriente; la incapacidad de las potencias del Eje para negociar un ataque conjunto contra Rusia tuvo un impacto significativo en la capacidad alemana para derribar rápidamente a Rusia, pero Adolf Hitler era demasiado egoísta para verlo.
Tras unos días de preparativos en los suburbios de Moscú, el 2 de octubre de 1941, Fedor von Bock dirigió las tropas alemanas para asaltar directamente Moscú. Los avances alemanes fueron más lentos de lo que esperaban debido a una estación de otoño lluviosa y, posteriormente, a un frío comienzo de invierno.
Mientras los vehículos alemanes se inmovilizaban, el ejército alemán continuó avanzando, sin embargo, el frío afectaba en gran medida a la moral y a la capacidad de lucha de las tropas. El 15 de noviembre se lanzó un nuevo empuje hacia Moscú, y en dos semanas los alemanes alcanzaron el marcador de 27 km hasta Moscú, y algunos soldados afirmaron haber visto las torres del Kremlin.
El clima también perjudicó significativamente la capacidad alemana de abastecer al contingente de Moscú por ferrocarril, a pesar de que el ministro Dorpmüller y los Ferrocarriles del Reich alemán ampliaron drásticamente sus operaciones durante la campaña. Los tanques de agua de las locomotoras se congelaban regularmente en condiciones bajo cero, lo que elevaba a cientos el número de locomotoras averiadas en un momento dado.
Además, los ferrocarriles rusos tenían un ancho de vía diferente, lo que obligaba a los ingenieros alemanes a volver a colocar las vías férreas antes de que las locomotoras alemanas pudieran utilizarlas. En diciembre de 1941, la situación del transporte era tan desesperada que se formó una organización especial de transporte motorizado para aliviar parte de la presión. A pesar de los resultados sobrehumanos que los alemanes habían conseguido en el terreno de la logística, no era suficiente.
Las tropas alemanas de primera línea, incluida la fuerza aérea, necesitaban el equivalente a 120 cargas de tren de suministros diarias para las operaciones normales (es decir, sin contar los suministros necesarios para montar operaciones importantes); sólo se entregaban unas 100 cargas de tren de suministros en un día normal. Para empeorar las cosas, los partisanos rusos saboteaban regularmente las vías férreas para retrasar aún más las cosas.
Los rusos habían estado lanzando contraofensivas de diversa envergadura desde principios de septiembre para frenar el avance del ejército alemán. Las contraofensivas se planificaron en gran medida bajo la dirección de Zhukov, un hombre al que Stalin temía como amenaza política, pero en el que, sin embargo, confiaba mucho para defender su capital.
El 5 de diciembre, Zhúkov vio la oportunidad de lanzar una gran contraofensiva, pero al mismo tiempo sabía que no podía correr más riesgos; las tropas alemanas estaban demasiado cerca de Moscú para su comodidad. Llamó a sus tropas de Siberia y del Lejano Oriente, que habían estado descansando en las cercanías para tal contraofensiva.
Los tanques T-34 y los lanzadores de cohetes Katyusha abrieron el camino a los nuevos soldados rusos, algunos de los cuales se pusieron el camuflaje blanco de invierno que se convirtió en objeto de pesadillas para las gélidas tropas alemanas en retirada. El 7 de enero de 1942, las líneas del frente habían retrocedido entre 100 y 250 km. Las fuerzas alemanas no volverían a amenazar directamente a Moscú durante el resto de la guerra.
El recuento final se inclinó sorprendentemente hacia el lado ruso de la batalla. Rusia sufrió más de 600.000 bajas, y algunas estimaciones llegan a 700.000. Por su parte, las tropas alemanas sufrieron un número menor de 250.000 bajas, aunque el impulso alemán se detuvo mientras los rusos aumentaban el suyo. Por los esfuerzos de los moscovitas para defender la capital, Moscú fue honrada con el título de Ciudad Héroe en 1965.
