纳粹德国与其盟友入侵苏联，使苏联及苏联红军领导层大吃一惊。德军以闪电战战术快速深入苏联领土。德国的大规模突然进攻，出乎斯大林的意料之外。他一度心情沮丧，但很快从消沉的情绪中摆脱出来，振作起来，重新肩负起他身上的重任。
11月6日是十月革命纪念日，庆祝活动安排在地下铁道的马雅可夫斯基车站举行，斯大林在会上发表了广播讲话。在首都岌岌可危的时候，斯大林的演讲具有不同寻常的意义。
斯大林说：在反法西斯战争中，苏联并不孤立，英国和美国已表示支持。他用充满激愤的语调说：
这一群丧尽天良、毫无人格、充满兽性的人，恬不知耻地号召消灭伟大的俄罗斯民族，消灭普列汉诺夫和列宁、别林斯基和车尔尼雪夫斯基、普希金和托尔斯泰的民族！德国侵略者想对苏联各族人民进行歼灭战。
好吧，既然德国人想进行歼灭战，他们就一定会得到歼灭战！今后我们的任务就是把侵入我们祖国领土的所有德国占领者一个不剩地歼灭掉。
在这些关键的日子，斯大林非常重视从精神上鼓舞苏联人民必胜的信心。他决定第二天照常举行传统的阅兵式。11月7日，斯大林命令在红场举行纪念十月革命的阅兵式。斯大林在讲话中最后号召：
你们进行的战争是解放战争，正义的战争！让我们伟大的先辈英勇的形象在这次战争中鼓舞着你们，让伟大的列宁的胜利旗帜引导你们，消灭德国占领者！
我们光荣的祖国，我们祖国的自由，我们祖国的独立万岁！在列宁的旗帜下向胜利前进！
斯大林在11月6日和7日的两次讲话的文本迅速在军队和人民中散发。这些讲话极大地振奋了军队和老百姓的士气，它表达了他们对自己祖国的热爱和对残暴、狂妄的敌人的仇恨，同时也产生了重大的国际影响。
参加阅兵的队伍在克里姆林宫前检阅后，直接开赴前线。首都保卫者的口号是：“俄罗斯虽大，但已无处可退，后面就是莫斯科！”德军因战线过长，补给不足，战役中消耗过大，没有防御阵地和战役预备队，又无在冬季条件下作战的准备。
11月上旬，虽然道路能够使用，但德军的冬季装备不足，由于认为在入冬前就能结束战事。保暖衣服和白色伪装服都不足，坦克和其他车辆都因为低温而不能动弹。
德军士气严重受挫。而苏军则士气高涨。11月15日，德军再次向莫斯科发动攻击。德军不顾一切，不惜一切代价，用坦克在前头开路，妄图冲进莫斯科。德军的先头部队已冲到离莫斯科20千米远的地方，指挥官用望远镜已能看到克里姆林宫顶端的红星了。斯大林打电话给朱可夫：“你坚信我们能够守住莫斯科吗？我怀着内心的痛苦在问你这个问题，希望你作为共产党员诚实地回答。”朱可夫答道：“毫无疑问，我们能够守住莫斯科。但是至少还需要增加两个集团军和200辆坦克。”
“你能有这样的信心，这不错。你打电话到总参谋部去接洽一下，把你所要的两个预备队集团军集中到哪里？他们在11月底将准备好，但是坦克现在还不能给。”
苏军的顽强抵抗迫使德军未能再前进一步。德国的进攻也就慢慢停了下来。德军一停下来，斯大林、朱可夫和铁木辛哥就立即计划冬季的反攻。苏军转入反攻并粉碎莫斯科城下德军的条件已经具备。斯大林任命华西列夫斯基中将担任代理总参谋长，并命令他立即拟订反攻作战计划。苏军反攻的指导思想是，粉碎德军“中央”集团军群分别从北面和南面威胁莫斯科的最危险的突击集团。
反攻的基本任务赋予了西方面军。加里宁方面军和西南方面军分别在其北面和南面实施突击。12月5日，朱可夫带领苏军发动大规模反击。此时德军进攻能力显然已经衰竭。12月6日，攻势在莫斯科地区全面展开。秋季期间，朱可夫从西伯利亚和远东地区调回了一些装备精良的部队到莫斯科，但一直留待反击之用。
他相信苏联间谍佐尔格的情报，指日本不会攻击苏联东部，在此之前佐尔格已经预计到“巴巴罗萨”计划。
此时德军已经非常接近莫斯科中心，他投入大量援军以对抗德军的攻势，包括新建造的T-34坦克和喀秋莎火箭炮。苏军部队已经为冬季战事准备好，包括多个滑雪营。
1942年1月8日，西方面军、加里宁方面军和重建的布良斯克方面军实施了进攻战役进攻维亚济马。
由于缺乏实施大规模进攻行动的经验以及缺少快速兵团，因而未能全部完成所赋予的围歼德军中央集团军群基本兵力的任务。
2月初，来自西欧的德军增援部队和中央集团军群北翼部队，分别实施反突击，苏军的态势恶化。
4月20日，苏军最高统帅部命令西方向军部队转入防御，撤回外线作战部队，保卫战至此胜利结束。
莫斯科保卫战彻底打击了法西斯德国的嚣张气焰，使德军再也无力在全线发动进攻，为第二次世界大战的根本转折奠定了坚实的基础。纳粹德国企图快速征服苏联的计划破产，莫斯科保卫战胜利打破了德军不可战胜的神话，使其遭到无法弥补的物质损失。
德军的失败使德军士气更加低落。在冬季战局中，德军有35名高级将领被撤职，其中包括布劳希奇元帅、博克元帅、古德里安上将、施特劳斯上将等。