苏联的秋天，道路泥泞，给德军摩托化部队带来了极大的困难德军在“闪电战”计划破产后，被迫缩短战线，妄图集中力量，迅速攻占莫斯科。莫斯科是苏联首都，全国政治、经济、军事和文化中心，也是铁路交通枢纽，具有极其重要的战略意义。希特勒认为，一旦攻占莫斯科，就能击败苏军主力，达到结束对苏战争的目的。
9月30日，德军对莫斯科发动了代号“台风”的大规模攻势，妄图在十天之内攻占它。德军投入的兵力有七十四个半师，一百八十万人，一千七百辆坦克，一千三百九十架飞机，一万四千多门大炮和迫击炮。苏军方面总共有九十五个师，一百二十五万人，九百九十辆坦克，六百七十七架飞机，七千六百门大炮和迫击炮。希特勒扬言要在莫斯科红场上检阅他的法西斯军队。10月2日，德军从中部突破了苏军防线。
10月10日，斯大林任命朱可夫大将为西方和预备队方面军司令员。10月中旬，在北、西、南通往莫斯科的所有重要地段上都展开了激烈的战斗。10月15日，苏联政府的部分机构和外国使节迁往古比雪夫。斯大林留在莫斯科，亲自指挥保卫战，10月19日，国防委员会宣布莫斯科戒严，号召首都人民誓死保卫莫斯科。
到10月底，德军被阻止在加里宁———土耳基诺沃———沃洛克拉姆斯克———多罗霍沃———纳罗———佛敏斯克———谢尔普霍夫———阿列克辛以西一线。希特勒妄图在10月占领莫斯科的计划破产了。
1941年11月7日，苏军在英勇保卫莫斯科的同时，红场依然进行着阅兵式。斯大林向全国军民发表振奋人心的演说：“我们的事业是正义的，胜利一定属于我们！”
11月15日，德军向莫斯科发动第二次疯狂进攻。11月27日，德军占领了离莫斯科仅有二十四公里的伊斯特腊。在千钧一发之际，莫斯科军民誓死保卫首都，苏军第316步兵师表现了苏军大无畏的革命英雄气概，在阻击德军坦克通向莫斯科的杜波塞科沃要道上，持续战斗四个小时，为保卫莫斯科，英雄们全部壮烈牺牲。
12月初，莫斯科的气温已下降到零下二十至三十度，德军没有棉衣，飞机和坦克的马达无法发动，坦克上的光学窥镜失去作用。而苏军，他们习惯寒带生活。12月6日，苏军从莫斯科南面和北面展开大反攻。1942年初，苏军击溃了进攻莫斯科的德军，毙伤十六万八千人，把德军赶离莫斯科一百到二百五十公里，取得了莫斯科保卫战的胜利，在1941年德苏战场的整个冬季战役中，德军被击溃五十个师，陆军伤亡八十三万多人。
德军在莫斯科战役中的失败，标志着希特勒闪电战的彻底破产。这是德军在第二次世界大战中的第一次大失败。苏军的胜利，极大地鼓舞了苏联人民和全世界人民反法西斯战争的胜利信心。
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