11月15日清晨，德軍從北麵、南麵、西麵對莫斯科發起了猛攻。德軍的總的戰役計劃是：第九集團軍牽製加裏寧方麵軍並進攻克林，從北麵包圍莫斯科；第二集團軍牽製西南方麵軍並占領圖拉，從南麵包圍莫斯科；第四集團軍在西麵消滅莫斯科附近的蘇軍。然後從南、北包抄，在莫斯科以東會師並完成包圍，最後幾個集團軍同時配合，正麵進攻，一舉占領莫斯科。
在11月16日以後的幾天裏，莫斯科形勢極其危險，德軍不顧一切動用強大進攻力量，用坦克開路，對蘇軍實施沉重的打擊，蘇軍的兵力顯得非常薄弱。
雖然在前幾天殘酷的戰鬥中，蘇軍損失慘重，但他們卻以頑強的抵抗阻止了德軍向莫斯科的推進。在德軍方麵，雖然戰線向前推進了，但是種種不祥之兆卻彌漫在軍隊中。連續作戰的疲憊和日漸寒冷的天氣成為德軍麵臨的兩個大敵。
最讓德國士兵不安的是，由於戰線過長，使得補給品奇缺，尤其是冬裝非常缺少。在零下20多度的冰天雪地裏，德軍士兵隻穿單薄的軍服，凍得瑟瑟發抖，渾身僵硬。
從11月中旬起，其他戰區的蘇軍相繼展開了一些反攻，牽製了德軍的兵力，支援了莫斯科方麵的防禦戰。然而，雖然德軍進攻受阻，但是對莫斯科的威脅仍未減輕。德軍繼續緩慢地向前推進，日益逼近莫斯科。
蘇軍最高統帥部經過仔細的分析，通過了朱可夫的反攻計劃。在蘇軍大反攻前夕，蘇德雙方在莫斯科附近的兵力情況並不利於蘇軍：蘇軍有110萬人、7652門大炮、774輛坦克、1000架飛機；德軍共有170萬人、13000門大炮、1170輛坦克、615架飛機。
但朱可夫分析，德軍人數雖多，可戰線拉得過長，兩翼的突擊部隊相距200千米，兵力分散。而蘇軍兵力則比較集中，可以集中局部地區的優勢兵力打擊敵人。
1941年12月6日早晨，朱可夫的西方方麵軍從莫斯科南、北兩麵開始了反攻，幾乎在同一時期，友鄰方麵軍積極配合，蘇德雙方展開了大規模的戰鬥。經過10天的激烈較量，使已經削弱和極度疲憊的德軍遭受重大損失，他們不得不在蘇軍壓力下節節敗退。
希特勒得知德軍敗退的消息後大發雷霆，歇斯底裏地禁止前線部隊繼續後退，並答應補充部隊。然而在蘇軍英勇無畏的進攻下，至12月底，德軍已經山窮水盡、走投無路了。
德軍在莫斯科戰役中的失敗，是德國法西斯發動第二次世界大戰以來所遭到的第一次重大失敗。它打破了希特勒“閃電戰”不可戰勝的神話，大大鼓舞了世界反法西斯戰爭的鬥誌。
在此之後，德軍的有生力量大大削弱，它在世界各地的侵略戰爭也終於開始走下坡路了。而蘇軍卻得以進一步發展壯大，士氣高昂。
朱可夫作為拯救莫斯科的英雄，在這場舉世聞名的戰役中名聲大振，被斯大林稱為“勝利的象征”。