同時，勃勞希契絕望地告訴他的參謀長說，他要辭去陸軍總司令職務。這一天被稱為德國將領們“黑暗、悲慘的一天”。“我們想在1941年打敗俄國的希望，已在最後一分鍾化成泡影了”。
在莫斯科城下20多天激戰中，德軍從11月16日到12月5日，損失官兵15.5萬人，坦克777輛，大炮、迫擊炮數百門。
就在希特勒“台風”攻勢遭到失敗之時，斯大林不失時機地決定開始大反攻。這次大反攻的首要意圖，是在莫斯科西北麵收複克林、索爾涅奇諾戈爾斯克，西麵解放伊斯特拉，南部解除德軍對圖拉的包圍，從而消除首都所麵臨的威脅，並進一步擴大戰果，盡可能把德軍遠遠趕向西部。
12月6日淩晨，莫斯科的大反攻開始了。在經過集中的空襲和炮火準備之後，朱可夫的西方方麵軍從莫斯科南、北兩麵開始行動。隨著戰鬥的順利進展，戰爭的主動權已逐漸掌握在蘇聯紅軍手裏。早一天發動的加裏寧方麵軍，已經在加裏寧以南楔入德軍防禦。加裏寧方向起初是成功的，由於冬季道路無法通行和兵力不占絕對優勢而受阻。西方方麵軍右翼向德軍施加了強大壓力，大有分隔並合圍從克林到索爾涅奇諾戈爾斯克德軍集團之勢。
蘇軍對克林的進攻，迫使德軍指揮部開始從鄰近地區調兵增援，但他們這樣做，反而便利了蘇軍向索爾涅奇諾戈爾斯克、紅波利亞納和伊斯特拉的進攻。到13日，德軍在克林和索爾涅奇諾戈爾斯克地區的抵抗已被粉碎，丟下大炮和車輛，向後退卻。沿著積雪覆蓋的道路向西退卻的德軍，遭到蘇聯空軍的猛烈轟炸，損失慘重。
12月12日，即這次反攻開始後不到一個星期，一直在方麵軍司令部指揮作戰的朱可夫兩眼布滿血絲，聲音嘶啞。在他麵前的桌子上，放著好幾杯釅茶。但他沒有疲倦到無法指揮部隊的程度，仍然保持著他在哈勒欣河和列寧格勒完成艱巨任務的那種旺盛的精力和堅強的意誌。在他的指揮下，別洛夫將軍的兩個哥薩克騎兵師和近衛第1師，12月16日到18日，打垮了德軍坦克第17師，步兵第28師、第29師和第30師，收複了斯大林諾哥爾斯克和韋涅夫。
在反攻開始後大約一個星期，朱可夫發布如下命令：追擊敵人必須迅速，以防敵人脫離戰鬥。必須廣泛使用強大的先遣部隊去奪占公路交叉點和隘路，並打亂敵人的行動隊形和戰鬥隊形。我嚴禁對強固的抵抗中心實施正麵進攻。先頭梯隊應毫不停頓地繞過它們，把它們留給後續梯隊去消滅。
這個命令是在他的突擊部隊陷入代價高昂、勞師費時的正麵進攻無法前進之後，發出這一命令的。許多年輕的蘇軍指揮員缺乏進攻作戰的經驗，使得情況更加複雜。有的指揮員由於擔心被合圍，對於部隊投入戰線上的缺口，有些猶豫不決。大規模的裝甲兵團不足，嚴重妨礙了突破計劃的完成。由於缺少坦克，朱可夫向德軍派出了滑雪部隊、騎兵和空降兵，封鎖德軍的退路，為圍殲德軍創造了有利條件。
到12月16日，蘇軍已把德軍趕出了加裏寧、克林和耶列茨。在此後的幾天裏，別洛夫將軍的部隊和弗拉索夫將軍的部隊，在對德軍的大規模進攻中，繳獲了許多武器和車輛。
盡管希特勒三令五申，仍阻擋不住蘇軍的進攻。12月12日哈爾德在電話上同馮.包克元帥討論了當天發生的事態。嗣後集團軍群命令部隊分階段地後退到圖拉－諾沃西爾季姆一線。哈爾德指出，在北方，積雪封鎖了鐵路線，阻礙了補給品的運輸和部隊的調動。
到1942年初，蘇軍擊潰了已經兵臨莫斯科城下的德國中央集團軍群的突擊兵團。斃傷德軍16.8萬人，把德軍趕離莫斯科100到250公裏。在此期間，蘇軍收複了1.1萬多個居民點，收複了克林、加裏寧、卡盧加等許多城市，解除了德軍對圖拉的包圍。蘇軍前進到謝利查羅沃、爾熱夫、盧薩、別列夫和姆岑斯克一線，解除了德軍對莫斯科的包圍。
根據最高統帥部的決定，從1942年1月8日開始，蘇軍9個方麵軍以及波羅的海艦隊、黑海艦隊在空軍支援下，先後以110萬人、7652門火炮、774輛坦克、1000多架飛機，向德軍發動了全線反擊。
原定在莫斯科慶祝聖誕節的德國軍隊，現在在這一整個可怕的冬天裏，被蘇軍逐步、有時是迅速地擊退。經過3個月的鏖戰，蘇軍取得了很大的勝利。
到1942年4月中旬，蘇軍在各條戰線上，先後把德軍擊退了150至400公裏。解除了德軍占領莫斯科和北高加索的危險，改善了列寧格勒的處境，加強了對列寧格勒的供應。蘇軍完全收複了莫斯科州和圖拉州，部分收複了列寧格勒州、加裏寧州、斯摩棱斯克州、奧廖爾州、庫爾斯克州、哈爾科夫州等，收複了刻赤半島，奪回了60多座城市，1.2萬多個居民點。
在整個冬季戰役中，德軍損失嚴重，約有50個師被擊潰，僅陸軍就傷亡83萬人。德軍陸軍總參謀長哈爾德在2月將盡時，在日記中記下入侵蘇聯以來德軍損失的數字。他寫道，到2月28日為止，兵員損失共計100.5636萬人，這還不包括匈牙利、羅馬尼亞和意大利軍隊在蘇聯戰場上的重大損失。
希特勒對蘇聯的進攻，客觀上減輕了英國的壓力。對於丘吉爾來說，謀劃更遠的境界已經成為可能。他現在要做的是兩件大事：一是加緊與蘇聯的聯係，以便結成更廣泛的聯盟，以抵抗希特勒的攻勢；二是加緊與美國的聯係，盡快爭取美國參戰，從而最後戰勝希特勒德國。那麼，丘吉爾將會如何做好這些工作呢？