气势汹汹的德军依靠优势兵力和突然袭击的手法轻而易举地冲破了苏军的防线，兵分三路，直指列宁格勒、莫斯科和基辅。苏联处在万分危急之中。
当时苏联的兵力和装备大大弱于德国，再加上各方面(日本、土耳其)的牵制，对抗德国的兵力更是不足。苏联人民经过紧急动员，在苏联武装部队最高统帅斯大林的率领下，展开了伟大的苏联卫国战争。
经过了初期的列宁格勒、基辅、敖德萨、塞瓦斯托波尔保卫战和斯摩棱斯克会战，英勇的苏联军民粉碎了德军通过“闪电战”灭亡苏联的计划，把敌人极不情愿地拖入了长期战争中。
但这些战役只是延缓而没有阻止住德军前进的步伐，他们的目标是苏联的首都——莫斯科。
希特勒德军指挥部认为，莫斯科在政治和战略上都具有极为重要的意义，能否占领莫斯科关系到战争的成败。迅速占领首都的计划失败后，他们筹划了代号为“台风”的大规模进攻计划。计划从南北两面用强大兵力包围莫斯科，同时步兵兵团从正面实施攻击，攻占莫斯科。为此，希特勒调集了74.5个师、官兵180万人、坦克1700辆、火炮1.4万余门、飞机1390架，疯狂地扑向了莫斯科。此次行动步兵占了苏德战场总兵力的38%，坦克师和摩托化师的64%。对于莫斯科，德军志在必得。
而当时苏军的境况异常艰难。许多企业向东部地区撤退，因此在军需等各方面还不能够完全满足作战部队的需要；第一阶段的防御战，军队遭到严重削弱；日军和土耳其军队在边境对苏军造成巨大压力，使得苏联不得不在边境驻扎重兵，分散了不少兵力。
当时苏军最高统帅部也计划通过莫斯科会战，依托有利地区阻止敌人前进，以便争取时间，为大反攻创造条件。为此，苏军配给了西方面军、预备队方面军、布良斯克方面军共125万人、坦克990辆、火炮7600门、飞机677架的兵力在西线展开了防御。
双方对比不难发现，德军比苏军人员多40%，火炮和迫击炮多80%，坦克多70%，作战飞机多1倍。敌军不仅在数量上，而且在质量上也占优势。苏军的坦克和飞机有一半以上是旧式的。德军在坦克、飞机、反坦克炮、高射炮以及摩托化部队方面的优势尤为明显。
根据“台风”计划，德军于1941年9月30日在布良斯克方向，10月2日在维亚济马方向先后发起进攻。尽管苏军进行了顽强抵抗，敌人仍然突破了防御。苏军的反突击虽迟滞了敌军的前进，但未能阻止其进攻。在维亚济马战役中(1941年)，西方面军和预备队方面军在维亚济马方向斯帕斯——杰缅斯克方向进行了艰苦的防御战斗。10月4日，敌人占领了斯帕斯——杰缅斯克和基洛夫，10月5日占领尤赫诺夫，10月7日进抵维亚济马地域，两个方面军相当大的一部分兵力在此被围，一直英勇抵抗到10月12～13日，牵制了敌人28个师。陷入战役合围困境的布良斯克方面军也进行了退却。莫扎伊斯克防线成了莫斯科附近的主要抵抗地区。在从莫斯科海至卡卢加这一地区(共230公里上)，4个集团军总共只有9万人左右。这些兵力不足以在整个地带内建立起坚固的防御。为了改进对军队的指挥，大本营于10月10日将西方面军和预备队方面军合编为西方面军，由朱可夫大将负责指挥。复杂的形势要求：从莫斯科疏散大批政府机关和最重要的企业；留下的企业则生产军用品；部队和劳动人民在莫斯科近郊构筑新的防御地区；组建新的民兵师；使全市做好巷战准备，等等。为修筑防御工事，苏军动员了45万首都居民，其中75%是妇女。10月20日，国防委员会在莫斯科及其毗邻地区实行特别戒严。莫斯科的防空部队同敌机进行了顽强的斗争：10月间，敌人对莫斯科进行了多次空袭，共出动飞机2000架，其中278架被击落，只有72架闯入莫斯科上空。
10月中至11月初，在莫扎伊斯克地区，苏军对德军优势兵力进行了顽强抵抗，把其阻隔在拉马河、鲁扎河、纳拉河地区。
1941年的加里宁战役同样激烈。10月14日，德军坦克突入加里宁，10月17日由科涅夫上将率领的加里宁方面军同其展开殊死搏斗，敌人想从此地突破，插向西方面军后方的企图被挫败。10月底和11月初，最高统帅部大本营预备队、第50集团军和图拉市劳动人民把敌军坦克第2集团军进攻图拉的计划挫败。
敌军屡次受挫，但仍不放弃攻占莫斯科的野心，并计划在冬季到来之前拿下莫斯科。于是又增加兵力，单是攻击莫斯科的兵力就有51个师，其中有13个坦克师和7个摩托化师，比苏军各项都多出一倍以上。其计划并未变动，仍计划合围夹击莫斯科。
以斯大林为首的苏军最高统帅部看清了德军阴谋，重新布置了军队。11月10日，撤销了驻扎在布良斯克方向的军队，第50集团军并入西方面军。第3、13集团军并入西南方面军。11月17日，加里宁地区的第30集团军编入西方面军。并下令各方面要死守阵地，阻止敌人从西北和西南迂回包围莫斯科。
1941年11月15日至18日，德军重新向莫斯科发起了疯狂进攻，企图从克林、罗加切沃方向和图拉、卡希拉方向突破，从北面和南面包围莫斯科，但受到了苏军的顽强抵抗。潘菲洛夫少将等许多将士自始至终坚守阵地，不曾后退一步。
“俄罗斯虽大，但已无处可退，后面就是莫斯科!”这就是首都保卫者的口号。
11月底至12月初，德军在付出巨大代价的情况下，在亚赫罗马地方前进到了莫斯科运河，在纳罗—福明斯克以北以南强渡了纳拉河，从南面逼近了卡希拉。但是，苏军11月27日在卡希拉，11月29日在首都以北对敌军相继实施了强大的反突击，使敌军未能再前进一步。
12月3日至5日，第1突击集团军、第16、20集团军在亚赫罗马、红波利亚纳、克留科沃等地域实施了反突击，敌人被迫开始撤退。第33集团军的突击军团在第5集团军的协助下恢复了纳拉河上的态势。第50集团军击退了德军在图拉以北发起的多次冲击。作战的主动权又开始转入苏军手中。
经过苏军11月底至12月初的顽强抵抗，粉碎了敌军向莫斯科的几次进攻，消耗了敌人不小的军事力量。仅11月16日至12月5日死伤在莫斯科的德军就有15.5万余人，损失坦克约800辆、火炮300门、飞机约1500架。从此，德军的士气急剧下降，苏军转入反攻和粉碎莫斯科附近敌军的条件已经具备。
最高统帅部打算反击时同时击破“中央”集团军分别在南、北两面对莫斯科构成威胁的突击集团。反击的主要任务由西方面军执行。而加里宁方面军和西南方面军分别在其北面和南面实施反击。其他方面军队配合完成这一任务。在夺取制空权的斗争中，西方向总指挥部预备队航空兵和首都防空军的航空兵与前线航空兵联合作战。
当时，苏军的飞机虽略占优势，可炮兵几乎少一半，坦克少1/3，人员也少于对方。但是苏军战士个个士气高涨，指挥部指挥准备充分，德军疲惫不堪，没有预先构筑好防御阵地，也没有预备队，并且缺乏冬季作战训练。反攻就是在这种情况下进行的。
1941年12月5日至6日反攻开始。这时敌人的攻击力由于天寒地冻、积雪甚深而明显下降，反攻进展顺利。
在加里宁战役、克林—索尔涅奇诺戈尔斯克战役、图拉战役、卡卢加战役、耶列次战役中，苏军均取得胜利，把战争的主动权从敌军手中夺了回来。
12月8日，希特勒不得不签署了在苏德战场包括莫斯科方向全面转入防御的命令。12月9日，苏军解放罗加切沃，11日解放伊斯特拉，12日解放索尔涅奇诺戈尔斯克，15日解放克林，16日解放加里宁，20日又解放沃洛科拉姆斯克。
苏军总指挥部面对有利情况，决定乘胜追击，要求各方面集团军扩大进攻阵线，彻底打击侵略者。1月初，西方战略反攻已告结束。苏军从侵略者手中夺回了11000多个居民点，消除了对图拉的危胁。反攻的苏军把战线推到了勒热夫、拉马河、鲁扎河、博罗夫斯克、莫萨尔斯克、别列夫、韦尔霍维郁一线，将敌击退了100到250公里。德军的38个师，包括15个坦克师和摩托化师遭受重创。希特勒下令部队要死守每一个居民点，寸步不许撤退，直到最后一兵一卒。
最高统帅部在总结了1月初的战况后，决心命令苏军在列宁格勒和西、西南两个战略方向转入总攻。西方向各部队的任务是粉碎“中央”集团军主力。但是此时西方向双方兵力和兵器力量对比大致相等，不足以完成任务。
1月8日至4月20日，西方面军、加里宁方面军和布良斯克方面军实施了瑟乔夫卡—维亚济马进攻战役、托马佩茨—霍耳姆进攻战役、勒热夫进攻战役和博尔霍夫进攻战役。1942年1、2月间苏军还在维亚济马以南地域使用了空降兵。但是由于缺乏实施大规模进攻的经验以及兵力兵器缺乏，未能全部围歼“中央”集团军。但总体上讲，西线的总攻是顺利的。
这次反攻，迫使德军向西退却100到350公里。莫斯科州、加里宁州、图拉州、梁赞州的全部以及斯摩梭斯克州和奥廖尔州一部分地区宣告解放。
苏军在莫斯科会战中的胜利，大大改善了苏联的军事、政治地位和国际地位，打破了德军不可战胜的神话，使敌军遭到无法弥补的物质损失和精神打击，为战争的根本转折奠定了基础。
在这场战争中，德军损失了50余万人、坦克1300辆、火炮2500门、汽车15000余辆，以及许多其他技术装备。在冬季战局中，有62000名德国官兵因犯临阵脱逃、擅自退却、违抗军令等罪名而判罪。35名高级将领，其中包括布劳希奇元帅、博克元帅、古德里安将军、施特劳斯将军等被撤职。
莫斯科会战具有巨大的国际意义。它使反法西斯同盟更加巩固，使得日本和土耳其两个法西斯国家不敢肆意追随德国。为欧洲各国人民反抗法西斯暴政的解放运动开辟了新的道路。另一方面，苏军还积累了大量的军事战争经验，使得军队在战略和战术上不断成熟，军人战斗技能有了很大提高。
战后，苏联约有40个部队和兵团因模范地完成战斗任务和英勇善战而被授予近卫军称号。100多万名莫斯科保卫者被授予1944年颁发的“保卫莫斯科”奖章。362.6万名军人被授予勋章和奖章，110人获苏联英雄称号。1965年5月，为庆祝苏联人民卫国战争胜利20周年，莫斯科市被授予“英雄城”的荣誉称号。
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