前锋装甲部队进到莫扎伊斯克时，天已开始下雨了，道路变成了泥河。坦克走不多远就陷入泥潭中，简直无法前进。南路古德里安的第2装甲军团困在奥廖尔到图拉之间的公路上达几天之久，一切补给只好依赖空运。德军于是被迫全线停止前进，以待大地封冻，这给了苏军宝贵的喘息时间。在确认日本武装力量将全力南攻而无意对苏作战后，斯大林又将部署在西伯利亚与日本关东军对峙的25个步兵师和9个装甲旅的精锐部队陆续西调到了莫斯科近郊支援。

    苏军渐渐地从维亚兹马和布良斯克所蒙受的惨重损失中恢复过来。天气越来越冷，由于没有冬季服装，德军开始出现严重的冻伤。然而，远离前线的德军最高统帅部却又开始策划新的攻势。11月13日，德陆军总参谋长哈德尔集中了51个师，并下达了“1941年秋季攻势命令”。担任正面攻击任务的是克鲁格的第4集团军；其左面是霍特的第3装甲兵团和赫普纳的第4装甲兵团，其任务是分别从北方和西方包围莫斯科；右面的古德里安的第2装甲军团则从南方向莫斯科包围。

    11月16日，“秋季攻势”开始发动，霍特的第3装甲兵团慢慢地向莫斯科西北方向前进，不久突破了莫斯科伏尔加运河，到达距莫斯科只有24公里的伊斯特腊镇。右面赫普纳的第4装甲兵团进到了莫斯科以西的齐维特科瓦。同时，南面古德里安的第2装甲军团包围了莫斯科东南方的图拉。双方展开了激烈的突击与反突击战。越来越多的苏军西伯利亚精锐师源源不断地补充到苏联守军的队伍中。11月27日，气温骤降了20度，一下子跌到了零下40摄氏度。寒冷成为德军最大的敌人，数以千计的人员被冻伤，不少人被冻死，机器停转、武器失灵。

    12月1日，包克挥其疲惫之师，再次发起攻势以作最后的努力，德军在各个方向的进攻都被可怕的严寒和苏军顽强的抵抗阻止了。12月4日，当气温降至零下52摄氏度时，德军再也不能有效作战了。12月5日，斯大林下令苏军实施自开战以来的首次大规模反攻。到12日，各路德军战线被苏军迅速突破。15日，苏联政府机构迁回莫斯科。此时，希特勒为了避免重蹈1812年拿破仑的覆辙，他要求德军向后方运动而不是全线撤退，将原前进的补给线都变成抵抗据点。