1941年10月2日，博克指挥的德国中央集群发动对莫斯科的进攻，代号“台风行动”。希特勒兴奋地说：“经过三个月准备，我们终于可以在冬季到来之前粉碎我们的敌人。一切都已准备就绪，今天开始年内最后一场战斗。”
苏联方面保卫莫斯科的有三个方面军：重新组建的西方方面军，由伊凡·科涅夫中将（1897—1973）指挥，战役进行期间的11月11日晋升为上将；预备方面军，当时由布琼尼元帅指挥；布良斯克方面军，由9月11日刚刚晋升上将的安德烈·叶廖缅科指挥。10月2日战役打响，6日预备方面军就在维亚济马遭受重创，斯大林紧急召回朱可夫，8日让他取代布琼尼重新担任预备方面军司令员。10日又决定撤销预备方面军，部队并入西方方面军，任命朱可夫为司令员，科涅夫为副司令员。
希特勒没有想到的是，进攻开始仅5天，10月7日，那年冬天的第一场雪就不期而至。由于气温还不太低，落雪随即消融，地面变得泥泞不堪。俄语专门有一个词“распутица”来描述它，指每年初冬和春末两次的特殊季节，也许可翻译为“泥季”。尽管这使坦克行动十分不便，运输补给也非常困难，希特勒仍坚持进攻，13日所有战场上的战斗都进行得极其激烈。15日苏联不得不做最坏打算，把党、政府和军队几乎所有机构，还有各国驻苏使馆通通撤往古比雪夫（即Самара，萨马拉）。就连苏军总参谋部，大部分人员也在总参谋长沙波什尼科夫率领下迁往那里，只留下由副总参谋长华西列夫斯基带领的不到10个人，在莫斯科处理最紧急的事务。
1941年初冬“泥季”，在苏联战场艰难行进的德军
1942年春末，陷在泥潭里的德军马拉炮车
尽管德军兵临城下，斯大林却没有离开莫斯科。11月7日，一如既往在红场上举行了纪念十月革命的盛大阅兵式，和以往不同的是受阅部队从那里直接开赴战场，投入战斗。斯大林在列宁墓上发表了著名的激励人心的演讲。全文不长：
红军陆海军战士们，指挥员和政治工作人员们，男女工人们，集体农庄男女庄员们，智力劳动者们，在敌人后方、暂时陷在强盗压迫下的兄弟姐妹们！我们那些破坏德寇后方的光荣的男女游击队员们！
我代表苏维埃政府和布尔什维克党向你们致敬，并庆祝伟大的十月社会主义革命二十四周年。
同志们！今天我们在严峻形势下庆祝十月革命二十四周年。德寇背信弃义的进攻，它逼迫我们进行的战争，造成了威胁我国生死存亡的危险。我们暂时失去了一些地区，敌人已经进犯到列宁格勒和莫斯科门前。他们原指望在第一次打击之后我们国家即屈膝投降，可是，敌人大大失算了。我们的陆军和海军虽然遭到暂时的失利，但还是在所有战线上英勇抗击着敌人，给敌人造成了严重的损失。而且，我们的国家，我们全国组成了统一的战斗阵营，我们的陆海军正一起粉碎德国侵略者。
我们曾经有过比现在的处境更加危急的时刻。试回想1918年，我们庆祝十月革命一周年时的情形吧。当时我们四分之三的领土都落入外国武装干涉者手中。我们暂时失去了乌克兰、高加索、中亚细亚、乌拉尔、西伯利亚和远东等地区。我们没有同盟者，没有红军——我们才开始创建红军。粮食不足，武器不够，被服缺少。当时有十四个国家围攻我国。可是我们没有灰心，没有丧气。
我们在战争的烈火中组织了红军，并把整个国家变成一个军营。当时，伟大的列宁精神鼓舞我们去战斗，去反抗武装干涉者。结果怎样呢？我们击溃了武装干涉者，收回了所有失地，取得了胜利。
我们现在的状况要比二十三年前好很多。比之二十三年前，无论就工业、粮食还是原料来说，都要富足许多倍。现在我们有同盟国，结成了反对德国侵略者的统一战线。我们有陷入希特勒暴政压迫下的欧洲各国人民的同情和支持，有精良的陆海军挺身保卫祖国的自由和独立。无论在粮食、武器或被服方面，我们都不感严重匮乏。我们全国，我国各族人民都一致支援我们的陆海军，帮助他们粉碎德国法西斯侵略匪军。我们的人员后备是无穷无尽的。现在伟大列宁的精神和他胜利的旗帜，也如二十三年前那样鼓舞我们进行卫国战争。
我们能够并且一定会战胜德国侵略者，这难道还有什么疑问吗？
敌人并不像某些惊慌失措的知识分子所形容的那样厉害。魔鬼并不像人们所描述的那样可怕。谁能否认，我们的红军曾经屡次把名噪一时的德军打得仓皇逃窜？如果不妄信德国宣传家的夸张声明，而按照真实状况来判断，那就不难了解德国法西斯侵略者是处在大崩溃的前夜。
现在德国正为饥饿和贫困所笼罩，四个月战事德国损失了四百五十万士兵。德国流血殆尽，他的人员后备正在枯竭。愤恨的情绪不仅渗入德国侵略者压迫下的欧洲各国人民心中，也渗入到对战争结束感到无望的德国本囯人民心中。德国侵略者正在耗尽它最后的力量。亳无疑问，德国绝不可能长久支撑这样的局面。再过几个月，也许半年，也许一年，希特勒德国就一定会在其深重罪孽下破灭。
红军陆海军战士们、指挥员和政治工作人员们，游击队男女队员们！全世界都指望着你们，认定你们是有能力消灭德国侵略匪帮的力量。陷在德国侵略者枷锁下被奴役的欧洲各国人民都指望着你们，认定你们是他们的解放者。伟大的解放使命落到了你们肩上。要不愧为这个使命的承担者！你们进行的战争是解放战争、正义战争。
让我们伟大先人亚历山大·涅夫斯基、季米特里·顿斯科伊、库兹马·米宁、季米特里·波札尔斯基、亚历山大·苏沃洛夫、米哈伊尔·库图佐夫的英姿，在这次战争中鼓舞你们吧！让伟大列宁胜利的旗帜指引你们吧！
为完全粉碎德寇而战！
消灭德寇！
我们光荣的祖国万岁！我们祖国的自由和独立万岁！
在列宁旗帜下向胜利前进！
斯大林还在莫斯科！这不但让苏联军民大大增强了战胜德国侵略者的决心与信心，对抗战中的中国人民和全世界反法西斯阵营也是一个巨大鼓舞。莫斯科几十万市民（包括大量妇女和未成年人）参加构筑防御工事，用他们的双手挖出300多万方泥土。11月28日，德军进展到距莫斯科仅20公里的地方。12月2日，一个侦查营更进到离莫斯科仅8公里的小镇希姆基，还攻占了莫斯科－伏尔加运河上的大桥。但是，德军力量也已消耗殆尽，不少团打得只剩下150~200人，也就是正常情况下一个连的兵力。苏军损失虽然也很惨重，但从远东地区紧急抽调的大批生力军正好在这时赶到，12月5日发起反攻，1942年1月7日，德军被迫后撤100~250公里，历时三个月的莫斯科战役就此结束。斯大林能够从远东抽调兵力，是由于得到“红色间谍”理查·佐尔格（Richard Sorge，1895—1944）发回的情报，得知日本海军和陆军的争执有了结果，海军“南下”发动太平洋战争的主张被采纳，不会“北上”进攻苏联。
在波兰和法国，德军都是凯歌高奏、一路向前，入侵苏联以后虽然损失大增，但也还没有后撤的先例，莫斯科战役德军首次被迫后撤，对其损失情况是一个很好的说明。苏联军民也付出了沉重代价，后来苏联许多城市都建有无名战士墓，莫斯科克里姆林宫西北角红墙外的一处最重要。那里所葬便是一名1941年冬保卫莫斯科牺牲的红军战士，墓上刻有铭文：
你的名字无人知晓，你的功勋永世长存（Имя твоёнеизвестно，подвиг твой бессмертен）
这位无名战士原来葬在莫斯科一列宁格勒公路40公里处的战士群墓（братская могила，字面意思“兄弟墓”），1966年为纪念莫斯科保卫战25周年迁葬到莫斯科。战士群墓所在地是当年鏖战最激烈的地方之一，1974年也建了莫斯科保卫者纪念碑，是一座由三柄“刺刀”（寓意保卫莫斯科的三大方面军）组成的方尖碑，俗称“刺刀碑”，建在高27米、安息着数百名莫斯科保卫者的“光荣冢”上，碑面也有铭文：
祖囯母亲绝不会忘记自己的儿子（Никогда Родина-матъ не забудет своих сыновей）
和1812年抗击拿破仑的情况类似，1941年“老天爷”似乎也萌发了正义感，有意和侵略者过不去。“泥季”之后俄罗斯的冬天便正式来临，莫斯科最低气温降到零下44摄氏度，创半个世纪最低纪录。发动对苏联入侵之前希特勒显然被他在波兰、法国的迅速获胜冲昏了头脑，对形势做了完全错误的估计，认为可以在冬季到来之前结束战争，完全没有做冬季作战的准备。这样，当严寒降临的时候，德军连最起码的冬装也极度匮乏，上报的冻伤人数超过13万，非战斗减员成为指挥官不得不面对的一大难题，还能作战的兵员战斗力也大打折扣。出现问题的还有武器装备，坦克等作战车辆都得预热很长时间才能发动起来。苏军还吸取此前与芬兰作战的教训，组建了滑雪部队，虽然只是骚扰性的小部队，一般仅为营级规模，但速度快、机动性强、目标小、隐蔽性强，很让德军头痛。
莫斯科战役期间，苏军在武器装备上开始有了重要进展，其中最值得一说的有两项。
第一，1941年7月斯摩棱斯克战役中伊凡·弗列洛夫上尉（1905—1941）指挥的炮兵连首次使用82毫米火箭弹多管发射器（称БМ-8，БМ是“боевая машина”之略，意“战斗机器”），摧毁了德军一个坦克、装甲车集中地，效果不错。8月8日斯大林下令组建8个近卫炮兵团，大部分改用发射口径更大（132毫米）火箭弹的“БМ-13”，还组建了35个独立炮兵营、2个独立炮兵连。这种新式火炮虽然准确性较差，但杀伤力可观，一个“БМ-13”炮兵连可以在7~10秒钟内里把4.35吨高爆炸药倾泻到约40万平方米的目标上。另外，它还具有价格低廉、容易制造、可以安装在多种运载工具上、机动能力强的优点。红军战士非常喜欢它。那时，一首战前（1938年）为边防战士创作的歌曲，米哈伊尔·伊萨科夫斯基（1900—1973）作词、马特维·布兰特尔（1903—1990）作曲的《喀秋莎》正在战士中广为传唱，他们便称这种火箭发射器为“喀秋莎”。德国人则称它“斯大林管风琴”。
安装在苏联吉斯-6（ЗиС-6）卡车上的“喀秋莎”БМ-13火箭炮
第二，值得一提的是米哈伊尔·卡图科夫（1900-1976）指挥的红军第4坦克旅在莫斯科战役首次使用装备76毫米火炮的新型T-34坦克，其火力、装甲防护能力、机动性都大大优于德国坦克，当时担任德国第4集团军参谋长的君特，布鲁门特里特将军战后为美国战史研究提供资料时便说：
第一批俄国Τ-34型坦克在（莫斯科外围）维亚济马战役中出现。在1941年，那是最吓人的装甲战车。……需要一种口径至少75亳米的火炮来对付它，而这种火炮还有待制造。在凡雷雅，俄国坦克简直是径直穿过德国第七步兵师，冲进炮兵阵地，从火炮上开过去。
在莫斯科前线，许多德军高级将领不由得想起1812年的拿破仑来，布卢门特里特便在日记里写道：
（不少人）想起了发生在拿破仑大军身上的事来。很多人重读科兰古关于1812年的悲惨记述。……我似乎还能看见冯·克鲁格艰难地从驻地跋涉到他的指挥所，站在地图前，手里拿着科兰古那本书。
阿芒·科兰古（Aimand-Augustin-Louis，marquis de Caulaincourt，1773—1827）是当年法国重要将领和外交官，担任过驻俄罗斯大使。1810年力劝拿破仑放弃进攻俄罗斯的打算，但没有被接受，只好随拿破仑进行那次注定要失败的冒险，后来写了一本回忆录《和拿破仑一起在俄罗斯》（With Napoleon in Russia），但亡佚多年，第一次世界大战后才被发现，1933年第一次出版，在西方有不小影响。
当时指挥德军坦克第2集团军的古德里安将军在日记里写道：
对莫斯科的进攻失败了……我们低估了敌人的力量，也没有估计到气候。幸运的是，12月5日我就命令我的部队停止前进，否则灾难将是不可避免的。
凑巧的是，12月5日正好是苏联红军开始反攻的日子。几天以后（12月13日），博克元帅命令德军后撤80公里。五天后（18日），他被解除职务，官方解释是出于健康原因。19日，陆军总司令布劳希奇元帅被解除职务，此后该职即一直由希特勒自己兼任。圣诞节时，古德里安和另外两名德军高级将领，第4坦克集团军司令赫普纳和第9集团军司令阿道夫·斯特劳斯（Adolf Strauß，1879—1973）也被解除职务。对于希特勒与普鲁士将军的关系，这是一个转折点，让苏军受益匪浅，后来朱可夫和作家西蒙诺夫谈话时便说：
毫无疑问，他的这些做法给了我们很大帮助。在这之后，不论是德军总参谋部还是德军集团军群的司令官都比过去受到更多的约束。……希特勒以陆军总司令身份下达的训令更是不容争议了，……德军以往独立解决作战问题的水平下降了，开创这一切的布劳希奇被免职对我们当然是有利的。
对于斯大林与红军将领的关系，莫斯科战役同样是一个转折点，他开始重用以朱可夫、华西列夫斯基为代表的一批新人。人们得承认他还是知人善任的，知道什么情况该用什么样的人：“大清洗”要用雅戈达、叶若夫、贝利亚，不打仗的时候，合适的领军者是伏罗希洛夫、库利克、梅赫利斯，面对强敌则要用懂军事、会打仗的人。
莫斯科战役结束以后，总参谋长沙波什尼科夫认为德军虽然受到重创被迫后撤，但实力仍然强大，应该采取积极防御的战略。朱可夫和华西列夫斯基也赞成他的意见，但铁木辛哥主张对西南方向德军主动发起进攻，夺回乌克兰东部重要城市哈尔科夫。这个主张得到伏罗希洛夫的支持，最终被斯大林采纳，这样
便有了1942年5月12日至28日的第二次哈尔科夫战役。哈尔科夫没能夺回却付出沉重代价，苏联三个集团军伤亡惨重，总数超过27万人，其中战死、失踪和被俘超过17万。战死者中有多名苏军高级将领，包括西南方面军副司令员费多尔·科斯滕科中将（1896—1942），第57集团军司令员库兹明·波德拉斯中将（1893—1942），参谋长阿尼索夫少将，第6集团军司令员奧克森吉·戈洛德尼扬斯基中将（1896—1942），还有列昂尼德·波勃金将军（1894—1942）。
在红军高级将领里，沙波什尼科夫是为数不多的受过正规军事训练的人之一，1910年毕业于尼古拉参谋学院，“一战”结束时是一名上校，在支持十月革命的沙俄军官里他是军衔较高的一个，但1930年才加入布尔什维克党。他既具有军事头脑又具有组织、管理能力，所著《军队的头脑》在苏联有很大影响，就连斯大林案头也总放着一本。1937年叶戈罗夫被清洗以后，他担任苏军总参谋长，1940年8月由梅列茨科夫接替，1941年2月改用朱可夫，7月30日重又由他担任。此后因病两度由华西列夫斯基代理，终因健康原因不能视事，1942年6月26日正式由华西列夫斯基接任。
整个卫国战争期间，最受重用的苏军将领无疑当数朱可夫（1896年生）和华西列夫斯基（1895年生）。
朱可夫成为“二战”苏联最著名的将领，能力出众当然是一个重要原因，但恐怕也与他“出身”第一骑兵军，和布琼尼、铁木辛哥等人关系密切，得到斯大林赏识有关。内战结束后他曾在布琼尼领导的骑兵总监部工作，1932年经铁木辛哥推荐到乌博列维奇任司令员的白俄罗斯军区负责整顿骑兵第4师。该师原来是第一骑兵军的一支优秀部队，但和平时期参加经济建设，荒废了军事训练。朱可夫用两年时间把这个师整顿好，在这个过程中他也从乌博列维奇那里学到许多东西。虽然晋升“军指挥员”较晚，但1940年6月4日就与梅列茨科夫、图列涅夫一起晋升大将，1943年1月18日又成为卫国战争开始后第一个晋升苏联元帅的人。
华西列夫斯基得到斯大林的赏识更晚，但提拔却最快。他父亲是一名神父，母亲是一个神父的女儿。从1926年起他和三个兄弟都不再与父母来往，1940年出于斯大林的建议才恢复联系。“一战”爆发后入伍，1915年1月进入莫斯科招收普通人家子弟的阿列克谢耶夫军校，经过四个月培训成为沙俄军队一名准尉。此后当过连长、营长，“一战”结束时军衔为上尉。1919年加入红军，1930年任团长，在此期间认识了伏罗希洛夫、沙波什尼科夫和红军重要军事理论家弗拉基米尔·特里安达菲洛夫（1894—1931）。沙波什尼科夫对他很赏识，1931年将他调到工农红军军训部，1937年10月又调到总参谋部担任战役训练处处长，1938年8月16日晋升“旅指挥员”。后来转到总参作战部，当时的部长是尼古拉·瓦图京，1941年2月起是格尔曼·马兰丁（1894—1961）。
1940年4月5日华西列夫斯基晋升“师指挥员”，6月5日转为少将。1941年6月30日马兰丁调任西方方面军参谋长，华西列夫斯基接任副总参谋长兼作战部部长，10月28日晋升中将。1942年5月21日晋升上将，6月26日沙波什尼科夫因健康原因离职，华西列夫斯基正式担任总参谋长。1943年1月18日晋升大将，不到一个月（2月16日）便晋升苏联元帅。卫国战争结束前不久（1945年2月），他受命准备对日作战，总参谋长一职才由阿列克谢·安东诺夫（1896—1962）接任。
卫国战争开始以后，苏军将领晋升普遍“加速”，本属战争期间，正常现象，但像华西列夫斯基那样快的还不多见。卫国战争期间他和朱可夫可以说是斯大林的“左膀右臂”，两人经常以大本营代表身份在前线协调、指挥各个方面军作战。斯大林格勒保卫战期间他和朱可夫每天必须就前线情况向最高统帅作两次报告，中午12点报告一夜来发生的事情，晚上21—22点报告当天的变化。遇有重要情况，则须立即报告。此后历次重大战役基本上也都是这样。和丘吉尔、罗斯福不同，斯大林不但是“最高统帅”而且是“总指挥”，这是苏联战场与“二战”其他战场的一个重要不同点。毕竟，这里历次战役规模之大都是其他战场不能相比的，需要有一个统一的指挥，这个统一的指挥必须及时掌握全局的情况，包括前线与后方。
由于这样的指挥方式，作为总参谋长，华西列夫斯基在莫斯科的时间并不多，实际负责总参事务的经常是副总参谋长安东诺夫，所以他曾多次向斯大林提出自己不当总参谋长，让安东诺夫“转正”。在回忆录《毕生的事业》里，华西列夫斯基便说：
大本营的工作作风逐步在改进，大约从1942年9月起，斯大林明显改变了对总参谋部的态度，开始真正依靠它了。
为适应战争需要，还有另外一些重要改革。1942年6月12日，亚历山大·谢尔巴科夫（1901-1945）取代梅赫利斯担任红军总政治部主任。斯大林又在多个场合提出调整红军政治工作体系的问题，并于1942年10月9日由最高苏维埃主席团发布关于在红军中取消军事委员、建立完全一长制的命令。从1919年起红军中就设有专门政治工作人员，称“политрук”，那是个由“политический руководитель”缩合而成的新词，意即“政治指导员”。后来改称“军事委员”（военный комиссар，一般只称комиссар），实际上还是做政治工作。卫国战争开始后这种二元首长制暴露出许多弊端，军事委员通常由不懂军事的党务工作者担任，对军事指挥员常常起掣肘作用。他们在战争中的实际表现也差强人意，卫国战争期间获授“苏联英雄”的11,603人里只有211人是各级政治工作人员。
军事委员对军队有较大影响，甚至形同“监军”，原因之一是红军军事指挥员，包括高级指挥员并不都是布尔什维克党员。前面说到沙波什尼科夫虽然于1917年就支持布尔什维克革命，1918年就加入红军，但到1930年才加入布尔什维克党。华西列夫斯基1919年就加入红军，1931年8月才被批准为预备党员。又受1933—1936年清党运动的影响，1938年3月才成为正式党员。另一位苏军高级将领列昂尼德·戈沃诺夫（1897—1955），更迟至1942年7月才申请入党，并由联共（布）中央批准，没有预备期直接成为正式党员。那时他是列宁格勒方面军司令员、炮兵中将，后来晋升上将（1943年1月15日）、大将（1943年11月17日）和苏联元帅（1944年6月18日）。