11月7日清晨，在莫斯科红场上，庆祝十月革命胜利的游行活动照例举行，革命歌曲响彻云霄。斯大林在列宁墓前检阅红军部队，对全体指战员发表了鼓舞人心的演说："让伟大的列宁的胜利旗帜引导你们，彻底粉碎德国侵略者！消灭德国占领者！"全副武装的苏军迈着雄健的步伐从列宁墓前走过，接受斯大林的检阅，随后从红场上直接开赴前线。
德军的"台风"攻势虽然遭到了失败，但是，希特勒不肯善罢甘休，仍然想在冬季到来以前攻占莫斯科。德军经过休整和增调兵力后，又向莫斯科发起了第二次大规模的进攻。
11月15日清晨，德军第3、4坦克集团军开始向克林进攻，企图从北面包抄莫斯科；德军第2坦克集团军向图拉进攻，意欲从南面包抄莫斯科；两路德军采用南北钳形攻势，同时配合正面进攻，妄想一举攻占莫斯科。
苏军虽然在兵力和装备上都处于劣势，但是，苏军作战特别勇敢顽强。苏军第316步兵师的一个战斗小组表现尤为感人。11月16日清晨，这个小组在杜波塞科沃附近，坚守一个通往莫斯科的公路道口。经过4个多小时的激战，他们击毁了德军18辆坦克，击毙德军数十人，自己也只剩下了28人。政治指导员克罗奇科夫激励战士们说："俄国虽大，但已无处可退，后面就是莫斯科！"最后，28名战士弹尽粮绝，全部壮烈牺牲，克罗奇科夫拿着一捆手榴弹扑向德军，炸毁了一辆德军坦克。
11月23日，德军付出了巨大损失后占领了克林。11月27日，德军推进到距离莫斯科只有24公里的伊斯特腊。当天夜里，一小股德军在雅赫罗马地区渡过了莫斯科--伏尔加河运河。莫斯科已经处于德军的炮火射程之内，德军用望远镜依稀可以看见克里姆林宫的顶尖。
值此危急关头，苏军连夜抽调增援部队，奋勇迎敌，向德军发起了快速反突击，不惜代价将德军迅速赶回了运河西岸。11月底至12月初，苏军第1突击集团军和重组的第20、10、30集团军紧密配合，在苏联空军支援下，展开了一系列的反突击，德军被打得溃不成军，狼狈不堪。12月5日，德中央集团军群司令包克元帅向德军参谋部报告说，他"已经到了山穷水尽的地步了"。遭到全面阻击的德军被迫转入了防御。
从11月16日至12月5日，在莫斯科城下的激战中，苏军打死打伤德军15.5万多人，摧毁德军坦克777辆、火炮300门、飞机近1500架。德军士气严重受挫，闪电战遭到了破产。
12月初，莫斯科已经是寒冬季节，气温降到了零下20~30度。希特勒和德军统帅部原计划在2个之内消灭苏联，所以德军对冬季作战毫无准备。在冰天雪地的莫斯科荒郊，德军没有冬衣，没有防寒设备，坦克和汽车的水箱在严寒中冻裂，马达难以发动，武器上的光学窥镜失去作用。同时，德军的装备也消耗了30%左右，而后勤补给却更加困难；中路德军每天需要31火车皮的给养，实际上只能得到16车皮。德军飞机无处着陆，被迫在结冰的湖面上进行一些惊险的降落。
可是，希特勒却顽固不化，担心任何一点撤退都可能涣散军心，导致全线崩溃，坚决不准许德军后撤。同时，希特勒把德军高级将领当成替罪羊，将包克元帅、古德里安上将、施特劳斯上将等35名高级将领撤职。12月8日，希特勒签署了在苏德战场全线转入防御的训令。12月19日，希特勒撤了陆军总司令布劳希奇的职务，亲自担任陆军总司令。12月28日，希特勒又对身穿单衣在寒冬中瑟瑟发抖的德军下达了死命令：不准撤退，坚决死守，直到最后一兵一卒，一枪一弹为止。
针对德军进攻能力已经衰竭的有利局势，1942年1月5日，苏军统帅部决定乘胜发动全线反击。随后，经过3个月的鏖战，到4月下旬为止，苏军在各条战线上都取得了很大的胜利，将德军打退了150~400公里，解除了莫斯科和北高加索的危险，改善了列宁格勒的处境，解放了60多座城市和1.1万多个居民地，收复了加里宁州、图拉州、梁赞州、斯摩棱斯克州、奥廖尔州、库尔斯克州、哈尔科夫州和列宁格勒州的一部分。
在整个冬季战役中，德国大约50个师被击溃，陆军伤亡83万多人（其中冻死冻伤10万余人），损失了1300辆坦克、2500门大炮、15000辆汽车和大量的其他装备。而德军军事法庭以临阵脱逃，擅自退却、违抗军令等罪名将6.2万名官兵判刑。
