西方面军损失最为严重。西方面军的兵力集中在比亚威斯托克突出部，该突出部是一个凸向波兰的弧形区域，南北宽约百里。西方面军把3个集团军一线部署在突出部的北、西、南3个方向，北边是库兹涅佐夫指挥的第3集团军，中间是戈卢别夫指挥的第10集团军，南边侧方是科罗布科指挥的第4集团军。3个集团军孤零零地部署在突出部，就像并肩排列在德军张开的大口中，德军只要上下一合击，就能把他们吃掉。
博克将自己的部队分成两路，像铁钳一样从突出部的南北两翼夹向苏军集团，没有任何准备的苏军很快陷入了极为不利的局面，仅战争第一天，博克的中央集团军就将苏军的3万余人重重包围，第4天就攻到了苏联西部重镇明斯克。
听到这一消息，斯大林大发雷霆。德军在几天内就逼近了明斯克，如果不迅速堵住它的进攻，德军将很快突入斯摩棱斯克，直接威胁苏联的首都莫斯科。看来，德军进攻的主要方向不是自己预想的西南方向，而是最直接、能给苏联带来最大威胁的正西方向，必须加强对这一方向的指导。他迅速打电话给正在西南方面军的朱可夫，急切地说：
“西方面军形势严重，敌人逼近了明斯克。我不明白巴甫洛夫是怎么了？库利克元帅在哪里？沙波什尼科夫在这关键时刻又生病了，你能不能马上飞到莫斯科来！”
6月26日深夜，朱可夫急匆匆赶回莫斯科，从飞机场直接来到斯大林的办公室。当他走进斯大林办公室时，国防人民委员铁木辛哥、第一副总参谋长瓦杜丁正笔直地站在斯大林的身旁，他们脸色苍白，面容消瘦，眼睛布满血丝。斯大林冲朱可夫点了点头，然后说道：
“请你回来是想分析一下当前西部的情况，看看应该采取什么行动。”
朱可夫说：“给我们40分钟时间，将那里的情况分析一下。”
“好吧，我给你们40分钟。”斯大林说。
朱可夫认为，现在西方面军的形势极为严重，单靠它本身的力量已经无法挡住德军的进攻，必须调集新的部队，加强那里的防御。
铁木辛哥、瓦图京表示同意朱可夫的分析。最后，他们决定：立即组织第13、第19、第20、第21、第22集团军，在西维德纳—波洛茨克—维捷布斯克—奥尔沙—莫吉廖夫一线占领防御，并使用统帅部预备队的第24和第25集团军，在斯摩棱斯克—戈梅利一线建立第二道防线，同时迅速在莫斯科组建2~3个集团军。目的是，在通往莫斯科的道路上建立纵深梯次防御，疲惫敌人，将其阻止在某一区域，然后伺机反攻。
斯大林批准了这一建议。
但是，气势正盛的德军并没有给苏军以喘息之机。6月28日，德军装甲部队攻占明斯克，封闭了对苏军西方面军的大包围圈。同日，随后跟进的德军第4、第9集团军在比亚威斯托克以东地域会合，完成了对苏军的近距离合围，将比亚威斯托克小包围圈同东部的新格鲁多克大包围圈完全分割开来。苏军损失惨重，据德军统帅部7月11日战报称，德军共俘虏苏军32.9万人，缴获坦克3332辆，火炮1809门。
斯大林听到这一消息，再也忍耐不住自己的愤怒。一个方面军司令怎么在一个星期之内把什么都丢得干干净净呢？当初自己在这里任命巴甫洛夫为西部特别军区司令员时，他给自己的印象不错，他在报告时条理清楚，显得老成持重，很有信心。难道说他经验不足？不可能啊！他参加过第一次世界大战、国内战争、中东铁路之战、支援过西班牙国内战争，并且由于战功卓着，而被授予苏联英雄称号，后来又参加过苏芬战争，应该说也是久经沙场了。唯一不足的是他连升几级，还缺乏统帅大部队的经验和智慧，对错综复杂的环境还缺乏足够的应变能力。
实际上，斯大林在极度缺乏高级指挥员的时代，提拔巴甫洛夫没有错。巴甫洛夫富有爱国精神、大胆、英勇、敬业。他在战争威胁面前，曾有一定的警惕。
巴甫洛夫从1940年8月起，举行过5次集团军级的野战演习，1次集团军级的指挥员和司令部就地作战演习，5次军级的作战演习，1次方面军级的演习，一次有两个坦克军参加的无线电演习，2次师级和1次军级操练。他仔细地注视着敌军的部署情况，一再向国防人民委员会提出将军区部队由纵深调至边境地区。巴甫洛夫知道德国人准备发动突然袭击，所以请求允许进驻国境沿线的野战工事，但是他的请求没有得到国防人民委员会的允许，他们害怕这样会招来德国人的进攻。
斯大林没有去想这些，也没有去想西方面军面临的是数倍的德军，更没有去想由于自己的失误，使西方面军的部队在战争爆发时，军区还在进行整编，5个坦克军、1个空降军、3个反坦克旅都没有组建完毕，物资装备都不齐全。斯大林唯一想起的是，巴甫洛夫的西方面军在连连打败仗。
斯大林呆呆地站在窗前，一动不动地注视着莫斯科的夜色。他不由得想起图哈切夫斯基以前给自己写的一封信，其中一段话还记得很清楚。“未来的战争将是发动机的战争。装甲坦克部队的集中可以形成强大的突击拳头，要抗御他们是很不容易的。”他设想如果让图哈切夫斯基处在巴甫洛夫的位置，也许很多事情就会是另一番景象，往事不堪回首。看来，现在要扭转不利局面，最直接、最有效的办法就是撤换军事长官，加强对军队的指挥，改变目前的混乱局面。
6月30日，他打电话给总参谋长朱可夫，命令召回西方面军司令巴甫洛夫，宣布解除他的职务。由铁木辛哥接任他的职务。
与巴甫洛夫一起被解除职务的还有方面军参谋长克利莫夫斯基赫少将、方面军通讯主任格里戈里耶夫少将、第4集团军司令员科罗布科夫少将。不久，这些人立即被送交军事法庭，以叛国罪、渎职罪判处死刑，并没收全部个人财产。
再说西北方向，在西北方向组织防御的是西北方面军的第8、第1和第27集团军，共有44万人，库兹涅佐夫任司令员。西北方面军与防守列宁格勒的北方面军合作，由伏罗希洛夫元帅统一指挥。他们的主要任务是，防守苏联十月革命的摇篮、有苏联第二首都之称的列宁格勒。
德军的攻势十分凌厉，很快占领了维尔纽斯、陶格夫匹尔斯、里加。斯大林再也按捺不住对库兹涅佐夫的失望，他决定改组西北方面军，撤销库兹涅佐夫上将司令员的职务，由原第8集团军司令索宾尼科夫少将接任，瓦图京中将任参谋长。
但是，仓促改组的班子一时无法扭转被动局面，德军就像潮水一样继续向苏军冲来，处于被动之中的苏军不仅没有还手之力，也没有招架之功。集团军在宽大的正面上作战，又没有建立纵深梯次防御所需的兵力兵器，预备队又没能及时赶到。结果，德军从行进间占领了普斯科夫城，打开了通往列宁格勒的最后一道门户。
西南方向的情况尽管比前面两个方向要好些，但是也不妙。到7月初，德军在南翼推进了300~350公里，苏军在南翼共死172323人，伤69271人，平均每天死伤16106人。
这样，在短短的3个星期，苏军就向后后退了300~600公里，德军占领了拉脱维亚、立陶宛全境、白俄罗斯大部、乌克兰和摩尔多瓦的部分领土，并进入俄罗斯联邦西部，进抵列宁格勒，威胁到斯摩梭斯克和基辅。苏军死58万余人，伤10余万人，并损失了大量物资装备。
骄横的德军装甲兵在苏联境内耀武扬威地行进着苏联曾竭力掩盖自己的失利，随着岁月的流逝和苏联的解体，苏军严重失利的原因逐步浮出水面。从总体上看，苏军在战争初期严重失利的原因是多方面的，其中最主要的原因有以下几个方面：
首先，苏德战争爆发时间判断失误是造成苏军失利的首要原因。苏军总参军事学院院长谢他·伊万诺夫大将认为，时间判断失误对苏军的初期失利起了决定性的影响。朱可夫元帅也曾指出：“对时间判断错误这个消极因素，作用虽然逐渐减弱，但极大地增强了敌人客观上的优势，加强了他们暂时的优势，造成了我们在战争初期的严重情况。”
譬如，由于通信指挥系统尚未做好迎战的准备，结果到6月21日向西部边境军区下达进入一级战备的命令时，朱可夫、铁木辛哥从21日17时左右开始，直至22日零时30分才下达完毕，历时7个半小时。战争开始后，由于有线通信遭受严重破坏，大部分部队又没有无线电通信工具，上下左右之间的联系十分困难，各部队各自为战，局势一片混乱。统帅部不得不根据主观意志定下决心，这种状况又进一步加剧了混乱。
国防人民委员部和总参谋部的组织体制也不符合战时要求，因而不得不加以改组。结果造成大规模的人事变动。仅以总参谋部为例，6、7月间变动了393人，而且主要是领导干部。作为军队大脑的总参谋部，在战事紧急的情况下做如此大规模的人事变动，其后果是可想而知的。
其次是对苏德战争初期战法判断失误。苏联对德国侵略是有一定警惕的，但对德国一下子投入规模如此巨大的兵力实施首次突击却没有料到，认为两军将先在边境交战，然后才会投入主力作战。这样苏军在防御时缺乏纵深梯次防御，兵力部署主要在国境一线上。苏军准备在边境交战后才进行全面动员，集中和展开主力准备决战，这大大延误了战机，丧失了御敌良机。
加上战前制定的作战计划以及部队的部署、边境筑垒工事的构筑、仓库和作战物资的配置都深受御敌于国门之外和对战争初期认识的影响。战前苏军总参谋部提出并几经修订的作战计划，始终把以强大的反击将战斗行动迅速推到敌领土上去视为主导思想，计划根本没有考虑在敌人大规模进攻下的防御问题，更不要说必要的退却了。在军队的部署上，担任掩护的第一梯队只有少数部队配置在国境线上，大部分军队驻在离边境8~20公里或更远的营房里。而预备队又分布在离边境不远的地区，根本没有考虑纵深防御、物质技术器材的储备点，机场也是从便于部队反击考虑的，大多配置在离边境近的地域，因此，战争爆发后，在德军强大炮火和航空火力的突击下损失惨重。
斯大林对德军主突方向判断失误对西方面军的失利也密切相关。
战前，斯大林认为，德军未来对苏作战的主要突击方向将在西南方向，因为在他看来，苏德战争将是一场长期的大规模战争。
斯大林在与朱可夫谈及苏德战争时多次说：“德国是一个缺乏资源的国家，他们如果没有乌克兰的石油等资源，德国法西斯是不可能进行长期的、大规模战争的。”
斯大林的这一分析从战略的角度看是有道理的，但是他没有充分估计到希特勒为了避免战争长期化，而采取“闪击战”战略。希特勒的企图是以己之长，击苏之短，化不利因素为有利因素，速战速决。当然，从客观上看，还有两个不容忽视的原因。一是斯大林曾是苏联国内战争时南方面军和西南方面军的军事委员会委员，对粮食和煤对苏维埃共和国的重要性有着特殊的感情。二是在斯大林智囊团的构成中，基辅特别军区的比重很大。在战争前夕，在总参谋部的主要职位上大部分是从基辅特别军区提拔上来的，如铁木辛哥、朱可夫、瓦图京，他们与斯大林一样“在某种程度上都认为西南方向是首要的”。而事实上，德国陆军认为，“向莫斯科总方向进攻，成功的机会最大”，因为一旦德军在西方向的首次突击成功，苏军必将集中主力于该方向以保卫莫斯科。这样可以置乌克兰的苏军于不利地位。
由于错误地认为德军的主突方向将在西南方向，苏联制定作战计划时，很自然地把西南方向作为苏军防御的重点。苏军在这里部署了90个师共86万人，占西部边境各军区总兵力的47％，其结果是，苏联的西方面军不得不抗击几倍于己的德军的突击，从而陷入极为不利的地位，而到苏军察觉时，又不得不把早先集中在乌克兰和后来调往那里的第19集团军全部、第16集团军的大部转移到西部方向，编入西方面军，从行进间进入交战。在战争初期，苏军的许多部队就这样不是在与德军作战，而是在忙于调整部署，这大大削弱了这些部队的战斗力，丧失了歼敌的良机。
肃反扩大化给人们内心造成的影响具有很强的惯性力，是苏联不能扭转错误政策的重要因素。
虽然到1938年秋，肃反扩大化有所收敛，一部分被捕的指挥员被放了出来，而且重新担任了领导职务。但是，即使到1940年和1941年，怀疑、告发之风仍十分盛行。战前不久，塔斯社公布了一则备忘录，对那些听信所谓德国对苏联怀有敌意的谣言的人又指责，又威胁，红军空军司令员雷恰戈夫、空军总监穆什克维奇和防空司令员什捷尔尼都是在那时被捕和被杀的，到战争爆发，副国防人民委员基·阿·梅列茨科夫还遭到逮捕。苏德战争爆发前的这种气氛是致命的。人们谨小慎微，怕负责任，留有后手。没有人敢与斯大林分庭抗礼，特别是在判明德军入侵、德军主要突击方向和未来作战特点等事关全局的问题上，人们或是唯命是从，或是规避卸责。从大量的材料看，铁木辛哥、朱可夫等一批造诣很深的行家，通过分析大量的情报，对苏军所面临的大规模的突然袭击的严重威胁，以及未来作战样式是有一些正确判断的。但是他们无法向斯大林说明这一点，也无权采取应有的措施防止这种危险造成危害。1941年6月13日，铁木辛哥与朱可夫打电话给斯大林，要求批准下令边境军区部队进入战斗准备，并根据掩护计划展开第一梯队，斯大林一句“不能完全相信侦察”就把一切都挡回去了。让人压抑的氛围是无形的，这对初战的失利也不无关系。
列宁格勒守卫战
德军闪击得手后，开始向基辅、斯摩棱斯克和列宁格勒3个方向发展全面进攻。德军统帅部一派乐观气氛，德军陆军总参谋长哈尔德大将兴致勃勃地对自己的部属说：“歼灭西德维纳河与第聂伯河前方苏军主力的任务已经完成，苏军的164个步兵兵团，已经有89个被我们歼灭了，只有46个还有一定的战斗力，18个部署在芬兰等次要的战场上，有11个虽然情况不明，但不会对我军构成多大威胁，我们可以保守地说，14天内我们就能取得决定性的胜利。”
希特勒也按捺不住自己兴奋的心情，他断言：“苏联已失去了这场战争。”