莫斯科保卫战分为两个阶段，包括苏军实施的一系列防御战役(1941年9月30日-12月5日)和进攻战役(1941年12月5日-1942年4月20日)。苏军取得了莫斯科战役的胜利，打破了希特勒吹嘘德军天下无敌的神话，为斯大林格勒战役的胜利奠定了基础，是德国东线走向灭亡的开始。

1941年6月22日，纳粹德国中央集团军群向莫斯科方向实施攻击，8月上旬，德军攻占了斯摩棱斯克，但斯摩棱斯克的战斗迟滞了德军的攻势，瓦解了闪电战的战术。1941年9月，德军在攻占明斯克和基辅后，集中兵力向苏联首都莫斯科发动进攻。

自7月起，苏联政府征用民工构筑工事。同时从中亚，远东抽调兵力保卫莫斯科。莫斯科市民也被动员起来，组织了25个工人营，12万人的民兵师，169个巷战小组，发动60万人围绕莫斯科城修筑起三道防线，处于防御状态的莫斯科城，被街垒、路垒、工事严密地封锁了起来。

根据"台风"计划，德军第2装甲集群在布良斯克方向，第3、第4装甲集群1在维亚济马方向，相继开始了进攻。尽管苏联红军进行了顽强抵抗，德军仍然突破了防御，于1941年9月下旬夺取布良斯克。德军在维亚济马-布良斯克战役中俘虏苏联红军58万人。苏军只有85000人突出德军防线。

十月中旬，秋雨季节开始了，大雨使得俄罗斯本就落后的道路变得异常泥泞，德军机械化师陷在了冰水交加的泥泞中，寸步难行，勉强行进的车辆会陷入泥沼。莫扎伊斯克防御线是莫斯科接近地上的主要抵抗地区，在莫扎伊斯克防御地区展开的多次激烈战斗中，苏联红军进行了顽强抵抗，将德军阻止于拉马河、纳拉河地区。

1941年11月7日十月革命24周年阅兵式，为了提升国民及军队的士气，斯大林在命令在1941年11月7日在红场举行阅兵典礼并发表著名演说，苏联向全世界表明了战斗到底的决心。苏军队伍在克里姆林宫前检阅，然后直接开赴前线。莫斯科地面的积雪近1米厚，为了不被德国空军发现，部队选择最短的路径，道路两旁竖起了雪堆，将汽车漆成白色，这样便很难让高空侦察机发现。

苏联红军经过11月底-12月初的顽强防御和多次反突击，德军制定的"1941年秋季攻势命令"破产了。苏联红军虽然经常处在危急状态，但终于坚持下来并消耗了德军。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，坦克和其它车辆都因为低温而不能动弹。而苏联红军早已习惯了寒带生活。到了1941年11月29日，德军已成强弩之末，在各个方向上的进攻都已被遏制。

1941年11月29日苏联红军转入反攻并粉碎莫斯科城下德军的条件已经具备，斯大林下达反功的命令，加里宁方面军的第30集团军首先转入反攻，此时德军进攻能力显然已经衰竭，德军装甲集群遭到强烈打击，希特勒不得以签署了在苏德战场全线包括莫斯科方向转入防御的训令。

1942年1月7日重新部署后的苏联红军夺了莫斯科以北的加里宁。随后西部战略方向的反攻也告完成。德军撤退到250公里以外。德军38个师，15个坦克师和摩托化师惨遭重创。1942年4月，进攻莫斯科的德军伤亡人数达50万人，被苏联红军赶到了距离莫斯科350公里以外的地区。而苏联红军也付出了伤亡和被俘70多万人的惨重代价，却取得了莫斯科保卫战的最后胜利。