溫度降到零下52度。德軍的殿後部隊，第41摩托化步兵師的第11和第12連，在戰鬥中為了為他們的同伴後撤贏得時間幾乎被全部殲滅。第18摩托化步兵師9000人11月已經派往季赫溫。當12月22日這個師再次渡過沃爾霍夫河時，隻剩下741個人。
到11月初，通往莫斯科道路被壓出車轍的地麵已經結凍，同季赫溫附近森林覆蓋的沼澤地一樣堅硬。11月15日，馮·鮑克元帥命令中央集團軍群再次向東挺進，進攻莫斯科。兩個星期的中斷進攻已經使他們的部隊有所改善——但還不夠。在10月泥濘中，他筋疲力盡和無組織的連、營和師大部分已經得到重組。坦克、卡車和大炮已經在結凍的泥地上暢通無阻地行駛。許多裝備在前進中損壞了，但是至少一些部隊重新獲得了一部分裝備。
中央集團軍群現在要為它不充足的補給係統付出全麵的代價。盡管已經征集了暖和的冬季外套並用船運往俄國的鐵路線起點，但是基本上沒有送達前線。當溫度驟然跌到零度和零下時，士兵們穿著現在既髒又破的夏季製服凍得瑟瑟發抖。由於氣候越來越冷，坦克和卡車的發動機起動不了；有時它們在運行時就凍住了。能夠得到防凍汽油的部隊驚愕地發現，防凍油有時也凍成了固體。武器失靈了。大炮、機槍、甚至步槍由於缺少低溫潤滑油而無法射擊。
沒有哪支軍隊在處於如此惡劣的情況去發動一次攻勢。然而，當11月進攻開始時，德軍竟迫使俄國人後撤。
在最前線是賴因哈特的第3裝甲集群和施特勞斯第9集團軍的一部分。直指莫斯科西北郊區，他們從加裏寧地區向東南發起攻擊。不到一個星期，賴因哈特的攻擊部隊占領了古城克林並向塔克哈羅馬附近的莫斯科—伏爾加運河逼進，那裏距首都隻有38英裏。
11月16日，霍普納的第4裝甲集群，隻有可供行駛200英裏的油料，在中間戰線發起進攻。找到一個防守薄弱的地區，第9軍的第78風暴師突破進蘇軍的後方，抓住很多俘虜，並繼續向前推進。10天後，霍普納的坦克前進了25英裏，距莫斯科僅30英裏。在南方，古德裏安也發起了進攻，再次試圖繞過圖拉和斯大林哥諾爾斯克，進入蘇聯首都的後方。
但是，天氣造成了不可抗拒的重大損失。晚上溫度降到零下50度，寒冷程度遠遠超過了德軍任何人的想象。許多幸運的部隊在農家小屋裏找到避寒之處。凍傷成為流行病，傷員由於寒冷，傷勢惡化而死亡。在一些地方，雪已經達到2英尺深。
這些情況——以及新到蘇軍的猛烈反攻——使古德裏安確信他的部隊不可能再繼續進攻。但是在北方，賴因哈特和霍普納仍然在進攻。占領了克林，賴因哈特的裝甲部隊開向羅加切沃，從蘇軍兩個集團軍之間插入並抵達莫斯科—伏爾加河運河。在那裏，哈索·馮·曼陀菲爾上校，指揮一個由第6步槍團和第25裝甲團組成的先頭部隊，占領了一個渡河點並在東岸建立了一個橋頭堡。一個突擊隊攻占了為莫斯科供電的電站。通往莫斯科的直接通道敞開了，但是增援部隊不能到達來擴大突破點。到11月27日中午，寒冷變得如此厲害以致於曼陀菲爾士兵的自動步槍再也無法射擊。
接下來，就是災難。從能見度極差的冰霧裏出現了蘇聯第一突擊集團軍的兩個旅，步兵有超出編製的火炮支援。俄國人身穿厚厚的冬季大衣、皮帽子和厚皮靴。他們用類似皮手籠的東西蓋在進攻武器上，武器塗上了防凍油。穿過大雪，步兵在T—34坦克的支援下，摧毀了一個接一個德軍的前沿陣地。德國人直到11月29日還頑強地堅守他們的橋頭堡，這時曼陀菲爾下令撤退，在運河西岸留下一條單薄的防線。從北方突入莫斯科的機會化為泡影。
這條戰線所有德軍的攻擊進展都減慢下來。莫斯科—伏爾加運河以南幾英裏，魯道夫·威伊爾中將第2裝甲師的一些部隊穿過暴風雪推進遠至扼守羅加切沃到莫斯科主公路的奧澤熱特斯科耶。在那裏部隊發現了開往莫斯科的長途汽車停車站，並開玩笑說剩下的24英裏路可以乘車到達紅場。
霍普納第4裝甲集群的一部分甚至打得更近。11月29日，好幾個坦克部隊衝進西郊並到達圖希諾，莫斯科市區的一個區。其它部隊占領克拉斯尼亞波利亞尼亞——偉大作家列·托爾斯泰的故鄉——一個營挺進至高爾基列寧斯科耶，距莫斯科城界12英裏。但是蘇聯預備隊趕到了；西伯利亞營甚至乘出租車趕往高爾基，非常類似1914年馬恩河戰役法軍的增援部隊。