1941年9月6日，希特勒发布了第35号训令，代号“台风”行动，确定10月2日发起莫斯科会战。训令规定，莫斯科攻势由包克元帅的中央集团军群实施，同时还从南方集团军群和北方集团军群抽调了大批兵力。至9月底，中央集团军群已集中了74个师（其中包括14个装甲师、8个摩托化师），180余万人、1700辆坦克、14000门大炮和迫击炮，1390架飞机。中路是由克鲁格元帅指挥的第4集团军和赫普纳指挥的第4装甲兵团，其任务是先从斯莫棱斯克南面向莫斯科以西的维亚兹马包围，再由此向莫斯科挺进；北路是斯陶斯指挥的第9集团军和霍特指挥的第3装甲兵团，其任务是先从斯莫棱斯克北面向维亚兹马包围，再向东北，从北面包围莫斯科；南路是魏克斯指挥的第2集团军和古德里安指挥的第2装甲集团军，其任务是对布良斯克的苏军发起钳形合围并予以聚歼后，由南面包抄莫斯科。
11月16日，“秋季攻势”开始发动，霍特的第3装甲兵团慢慢地向莫斯科西北方向前进，不久突破了莫斯科伏尔加运河，到达距莫斯科只有24公里的伊斯特腊镇。右面赫普纳的第4装甲兵团进到了莫斯科以西的齐维特科瓦。同时，南面古德里安的第2装甲军团包围了莫斯科东南方的图拉。双方展开了激烈的突击与反突击战。越来越多的苏军西伯利亚精锐师源源不断地补充到苏联守军的队伍中。11月27日，气温骤降了20度，一下子跌到了零下40摄氏度。寒冷成为德军最大的敌人，数以千计的人员被冻伤，不少人被冻死，机器停转、武器失灵。
担任莫斯科防御任务的苏军共三个方面军，最初约80万人、770辆坦克、9150门大炮和迫击炮、545架飞机。西方方面军部署在维亚兹马以西60英里处，其任务是阻止德军沿主要方向突入莫斯科；大本营的预备方面军，与西方方面军成纵深梯次配置，其任务是阻击突破西方方面军的德军；叶廖缅科指挥的布良斯克方面军，其任务是阻止德军对布良斯克的突破。苏军的企图是：阻止德军进攻，歼灭和消耗德军，争取时间集中预备队，为反攻创造条件。
虽然对维亚兹马和布良斯克的包围消灭了大量的苏军有生力量，但天气变坏使得德军的攻势锐减。当德军前锋装甲部队进到莫扎伊斯克时，天已开始下雨了，道路变成了泥河。坦克走不多远就陷入泥潭中，简直无法前进。南路古德里安的第2装甲军团困在奥廖尔到图拉之间的公路上达几天之久，一切补给只好依赖空运。德军于是被迫全线停止前进，以待大地封冻，这给了苏军宝贵的喘息时间。在确认日本武装力量将全力南攻而无意对苏作战后，斯大林又将部署在西伯利亚与日本关东军对峙的25个步兵师和9个装甲旅的精锐部队陆续西调到了莫斯科近郊支援。
苏德战争开始后，希特勒就将夺取乌克兰和列宁格勒作为他的首要目标，他坚持认为列宁格勒和乌克兰比莫斯科具有更大的重要性。所以当中央集团军群攻占斯莫棱斯克，扣开了通往莫斯科的大门时，他却暂时放弃了对莫斯科的进攻，分散中央集团军群的兵力去支援对乌克兰和列宁格勒的作战。而当基辅会战展开后，希特勒又突然改变了他的战略，决定等基辅会战胜利结束后，将作战重点回到莫斯科轴线上，而只对列宁格勒实施围困。
苏军渐渐地从维亚兹马和布良斯克所蒙受的惨重损失中恢复过来。天气越来越冷，由于没有冬季服装，德军开始出现严重的冻伤。然而，远离前线的德军最高统帅部却又开始策划新的攻势。11月13日，德陆军总参谋长哈德尔集中了51个师，并下达了“1941年秋季攻势命令”。担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装甲兵团和赫普纳的第4装甲兵团，其任务是分别从北方和西方包围莫斯科；右面的古德里安的第2装甲军团则从南方向莫斯科包围。
1941年9月30日，南路古德里安的第2装甲军团首先拉开了“台风”行动的序幕，当天就撕开了苏布良斯克方面军的防线，向前推进50多英里。10月2日，中路和北路主力从南北两面发动对苏西方方面军的攻击，并冲垮苏军防线。随后，古德里安攻占了奥廖尔，并指挥其第47装甲军北上，向布良斯克进攻。10月4日，霍特的第3装甲兵团和赫普纳的第4装甲兵团分别从北面和南面向维亚兹马进逼。10月6日，古德里安的第2装甲师占领了布良斯克。10月7日，霍特和赫普纳两只装甲兵团在维亚兹马会师，苏西方方面军和预备方面军一部被包围。10月8日，魏克斯的第2集团军和古德里安的装甲部队也包围了苏布良斯克方面军。中央集团军群司令部下令各路德军立即对这两个包围圈内的苏军进行清剿，并继续向莫斯科进军。10月10日，斯大林将冲出德军重围的西方方面军和预备方面军残部合并组成的新的西方方面军，并任命朱可夫为司令员，全面负责莫斯科防御战的指挥。10月13日，赫普纳的第4装甲兵团向莫斯科西南方的卡卢加（距莫斯科100英里）突击，苏军防线被冲破，朱可夫被迫放弃该城。同时，霍特的第3装甲兵团攻占了莫斯科西北方的加里宁（距莫斯科98英里）。14日，德陆军总部下达命令，要求中央集团军群各路军团从南、北、西三面包围莫斯科，并拒绝任何有条件的投降。18日，德军突进到距莫斯科只有60英里的莫扎伊斯克。10月20日，德军完成了对维亚兹马和布良斯克这两个包围圈内苏军的清剿，苏军66.3万人被俘，损失坦克1242辆、大炮和迫击炮5412门。“台风”行动初战告捷。
12月1日，包克挥其疲惫之师，再次发起攻势以作最后的努力，德军在各个方向的进攻都被可怕的严寒和苏军顽强的抵抗阻止了。12月4日，当气温降至零下52摄氏度时，德军再也不能有效作战了。12月5日，斯大林下令苏军实施自开战以来的首次大规模反攻。到12日，各路德军战线被苏军迅速突破。15日，苏联政府机构迁回莫斯科。此时，希特勒为了避免重蹈1812年拿破仑的覆辙，他要求德军向后方运动而不是全线撤退，将原前进的补给线都变成抵抗据点。
