La guerra relámpago del mando alemán fracasó a comienzos de diciembre de 1941.
El 5 de diciembre de este año, el Ejército Rojo lanzó una amplia contraofensiva en los suburbios de Moscú. Al derrotar a los alemanes, las tropas soviéticas les hicieron retroceder de 100 a 250 km de la capital de la URSS.
La contraofensiva soviética fue la segunda fase de la batalla que comenzó el 30 de septiembre de 1941 y tuvo por objetivo repeler el embate de las hordas alemanas. La Alemania nazi tenía planes de copar las fuerzas principales del Ejército Rojo concentradas en el área de Viazma y Briansk (a unos 250 km al suroeste de Moscú) para defender la capital y arrollarlas. Los grupos blindados alemanes buscaban cercar la capital soviética.
La primera fase de la batalla se caracterizó por el arranque alemán. El 3 de octubre las unidades blindadas del enemigo tomaron Oriol (ciudad a unos 360 km al suroeste de Moscú), cubriendo 200 kilómetros en tres días. El 6 y 7 de septiembre el grueso de las tropas rusas del Frente de Briansk fue bloqueado. Se logró detener el avance de los alemanes en el área de Mtsensk (ciudad a unos 300 km al suroeste de Moscú).
Las tropas enemigas avanzaron también en el área de Viazma. El 6 y 7 de octubre, las unidades rusas del Frente Occidental y del Frente de Reserva fueron rodeadas. Soldados soviéticos intentaron romper el cerco, pero unos pocos consiguieron hacerlo. Decenas de miles de militares, incluídos altos cargos, cayeron prisioneros.
El pánico empezó a cundir en Moscú. Muchos estaban seguros de que la capital caería en breve. El 15 de octubre comenzó la evacuación de la población. El 19 de octubre en Moscú se declara estado de sitio.
El 16 de octubre, los alemanes lanzaron la ofensiva general hacia Volokolamsk, (ciudad a unos 360 km al suroeste de Moscú). Gracias al heroísmo y una tenaz resistencia que opusieron soldados soviéticos numéricamente inferiores a las huestes alemanas, se logró detener el avance del adversario. Los combates encarnizados en las afueras de Volokolamsk duraron casi dos semanas.
El avance del enemigo se estaba ahogando, lo que se debió tanto al fortalecimiento de la defensa en las proximidades de Moscú, como a la extenuación de los alemanes. Además, el enemigo estaba casi paralizado al comenzar las lluvias de otoño. Los lodazales dificultaron mucho la marcha de las unidades alemanes mecanizadas. Las tropas soviéticas estaban en una situación un poco mejor por disponer de vías férreas.
A finales de octubre se libraron combates recios a 80-100 km de Moscú. En la dirección sur las tropas soviéticas defendían la ciudad de Tula (a unos 170 km de Moscú) e impidieron el avance del enemigo.
Pese a que la provincia de Moscú ya era escenario de sangrientos combates, el desfile tradicional de tropas sí que llegó a celebrarse en la Plaza Roja el 7 de noviembre de 1941 (día de la Revolución bolchevique de 1917). Este evento mostró que los dirigentes de la URSS estaban decididos de salvar la capital y, de este modo, desmintieron acerca de que el Gobierno había abandonado la ciudad.
Las autoridades extremaron las medidas de seguridad y reforzaron la defensa antiaérea de Moscú. El desfile debía efectuarse en cualesquiera condiciones meteorológicas. Afortunadamente, el tiempo hacía el juego a los planes del Kremlin: ventisca, torbellino y niebla, de hecho, descartaban toda eventualidad de incursión aérea.
Los militares, sobre todo las unidades acorazadas, después de pasar por la Plaza Roja, iban directo a los campos de batalla.
El desfile en la Plaza Roja fue una noticia desagradable para el Tercer Reich. Fue una de las primeras derrotas propagandísticas sufridas por Alemania en esta guerra, debido a su amplia cobertura informativa en el mundo, incluídos los territorios ocupados. La intención de tomar Moscú antes del invierno y efectuar el desfile de tropas alemanas por la Plaza Roja fracasó.
Al reanudar la ofensiva el 15 de noviembre, los alemanes lograron apoderarse del área de Klin y Solnechnogorsk (a unos 100 km de Moscú) y cruzar el canal Moscú-Volga. A finales de noviembre el ejército agotó sus fuerzas. Otros intentos de avanzar no tuvieron éxito.
A principios de diciembre, el alto mando soviético trasladó divisiones frescas de Siberia y el Extremo Oriente a la provincia de Moscú y las mantenía en retaguardia. Numerosas fuentes informaban que el Japón se preparaba para a atacar a EEUU y no entraría en guerra en el Extremo Oriente.
El 5 de diciembre, las tropas del Frente de Kalinin lanzaron una amplia contraofensiva, apoyada por el 6 de diciembre por los Frentes de Oeste y Sudoeste. El 8 de diciembre, Hitler firmó una directriz ordenando a la Wehrmacht pasar a la defensa en todo el frente soviético-alemán.
Ejecutando la orden de Hitler del 16 de diciembre que prohibía recular, las tropas alemanas luchaban desesperadamente pero fueron obligados a retroceder.
El nuevo material bélico empleado por el Ejército Rojo tuvo mucha importancia en ambas fases de la Batalla de Moscú. Carros blindados, cazas, bombarderos, ametralladoras y otro armamento representaban una seria amenaza al adversario.
Las tropas soviéticas también se dotaron del material y armamento suministrados por los Aliados a tenor con el programa del Préstamo y Arriendo. La defensa antiaérea de Moscú recibió radares que permitían detectar de antemano a aeronaves enemigas.
