隨著上述措施的迅速落實和列寧格勒軍民的誓死抵抗，德軍的淩厲攻勢開始受到遏製。在列寧格勒西南，蘇軍一麵將新建的2個師和2個旅加強給第42集團軍，以建立強大的第二梯隊，占領列寧格勒外圍從芬蘭灣東南岸至涅瓦河一線的築壘地域，增強主要防禦方向的穩定性；一麵利用德軍第18集團軍東部集群左翼戰線過長、易受攻擊的弱點，以第8集團軍的4個步兵師組成突擊集群，於9月19日從奧拉寧包姆登陸場東部向紅村方向德軍側後實施反突擊，迫使德軍將烏裏茨克、列寧格勒方向的部分兵力調往彼得戈夫方向，有力地配合了第42集團軍粉碎德軍從西南突入列寧格勒的企圖。在列寧格勒南麵，德軍第18集團軍東部集群右翼於9月18日通過蘇軍第42和第55集團軍的接合部向普希金城發起進攻，企圖由此向左迂回普爾科沃高地，向右迂回科爾皮諾築壘地域，進而從南麵突入列寧格勒。與此同時，德軍於9月19日連續炮擊列寧格勒達18小時之久，並出動轟炸機276架次，對該市進行6個波次的猛烈轟炸，企圖以此摧毀列寧格勒軍民的抗戰決心。
然而，奮戰在列寧格勒以南的蘇軍部隊不畏強敵，終於將進攻之敵阻止在列寧格勒城下，挫敗了德軍緊縮包圍圈的種種努力。在此期間，蘇軍駐蒙海峽群島、漢科半島和喀琅施塔得的守備部隊與波羅的海艦隊部分兵力，在遠離己方主力的情況下孤軍奮戰，箝製了德軍的有生力量，並以炮火支援列寧格勒地區的蘇軍粉碎德軍進攻；蘇軍防空部隊共擊毀襲擊列寧格勒的德軍飛機300餘架。從蘇德戰爭爆發至9月底，在列寧格勒地區及其附近海域上空，蘇軍航空兵出動作戰飛機約6萬架次，同德芬兩國飛機進行空中格鬥，襲擊德軍機場和戰役縱深，有力地支援了地麵部隊、海軍艦艇的作戰。
由於遭到蘇軍日益頑強的抵抗，德軍北方集團軍群每前進一步都要付出沉重的代價，每晝夜的平均推進速度從7月的5公裏降至9月的1～2公裏。此外，即將開始的莫斯科會戰還使該集團軍群喪失了主要突擊力量。除第39裝甲軍外，德軍第4裝甲集群（轄第41和第56裝甲軍）和原第3裝甲集群第57裝甲軍被陸續調離，其轄區分別由第18集團軍和第16集團軍第2軍接管。稍後，德軍第8航空軍也轉隸莫斯科方向的第2航空隊。德軍北方集團軍群的突擊力明顯減弱，攻克列寧格勒的希望更加渺茫。
鑒於對列寧格勒的多次強攻均未得手，德軍不得不轉而采取以長期封鎖為主、軍事進攻為輔的方針。在這種極端惡化的條件下，列寧格勒軍民同仇敵愾，寧死不屈，勇渡難關，在政府的統一領導下，他們一麵加強對空防禦和反炮擊鬥爭，一麵展開反圍困鬥爭。
莫斯科會戰
1941年9月30日和10月2日，德軍中央集團軍群先後發起布良斯克和維亞濟馬戰役，莫斯科會戰從此開始。這次會戰按蘇軍的行動性質分為防禦、反攻和總攻3個階段。1941年9月30日至12月5日為蘇軍防禦階段，12月5日至1942年1月7日為蘇軍反攻階段，1942年1月8日至4月20日為蘇軍總攻階段。
戰鬥一開始就異常激烈和殘酷。希特勒以為勝券在握，於10月7日命令中央集團軍群總司令費·馮·博克元帥不準接受莫斯科投降，妄圖把這個他恨之入骨的城市從地圖上抹掉，而蘇軍利用築好的多重縱深層次的防禦體係，頑強地阻擊敵人。
德軍的進攻多次使莫斯科處於危急狀態。但位於一線作戰的德軍指揮官們意識到，德軍的進攻能力很快就要耗盡，因此，請求“撤退到一條較短的容易防守的戰線，預先為駐紮、補給、防禦做好充分準備，以便時機一到，就能在很短的時間裏將其占領”。然而，德國陸軍總司令部和希特勒都不同意馮·博克等人的意見。希特勒對撤退不予考慮，隻是在馮·博克再三請求下，同意當代價高昂的攻勢無望取勝時中止進攻。
為了緩解莫斯科西北的緊張局勢，蘇軍最高統帥部大本營將突擊第1集團軍和第20集團軍調歸西方麵軍右翼，第16、第30集團軍也得到加強，在紅波利亞納、克留科沃地域實施了反突擊。到12月初，阻住了德軍的進攻。在納羅福明斯克方向，12月3日，德第4集團軍遭到蘇第5、第33集團軍的反突擊，被迫退至庫賓卡以北、戈利齊諾和納羅福明斯克以南陣地。12月5日，馮·博克命令第3、第4裝甲集團軍群與蘇軍脫離接觸，並於隨後幾天撤到伊斯特拉至克林以東的防線，德軍從西北和北麵突入莫斯科的企圖被粉碎。在圖拉方向，12月5日，蘇軍第50集團軍協同第49集團軍左翼各兵團在科斯特羅沃、列維亞基諾地域實施反突擊，恢複了圖拉與莫斯科的聯係。德軍第2裝甲集團軍被迫向南退卻，撤到頓河上遊、夏特河、烏巴一線。德軍對莫斯科的最後一次進攻徹底失敗。至此，莫斯科會戰蘇軍防禦階段結束。
1941年12月5～6日，蘇軍在加裏寧、克林·索爾涅奇戈爾斯克、圖拉和葉列茨等方向發動了具有曆史意義的大反攻。至1942年1月初，蘇軍在西部戰略方向的反攻全部結束。蘇軍解放1.1萬多人的居民地，消除了圖拉被合圍的危險。進攻的蘇軍前出到勒熱夫、拉馬河、魯紮河、博羅夫斯克、莫薩利斯克、別廖夫、韋爾霍維耶一線。德軍38個師遭重創，進攻莫斯科的突擊集團被擊潰。德軍後退100～250公裏，從南北兩麵突擊莫斯科的企圖被徹底粉碎了。