在更北部，盡管德軍因雨水和泥濘而拖延，南方集團軍群的其他部隊仍然向前挺進。瓦爾特·馮·賴希瑙陸軍元帥的第6集團軍於10月24日占領了哈爾科夫並越過第聶伯河。在賴希瑙的右翼，施蒂爾普納格爾的第17集團軍進入頓涅茨盆地，並且發現許多工業機械已經運走了。蘇聯人將整個工廠用船運往位於烏拉爾山脈的新基地。
希特勒一心想著掠奪頓涅茨，便更加堅決地決定龍德施泰特精疲力竭的集團軍群應當完成他主要計劃的下一部分——占領高加索。但是天氣問題出現了，就如同通往莫斯科的道路上發生的情況。連續的降雨造成了泥沼，吞沒了部隊和裝備。克萊斯特的裝甲部隊不得不大量使用農民的馬車來拖運物資，陸軍軍需部司令評論道，他們應當被叫做小農場主師，而不是裝甲師。
11月中旬，更可怕的寒冷降臨了，地麵結凍。克萊斯特立刻派遣第3裝甲集群向羅斯托夫進軍。受第13坦克團支援的警衛旗隊為先頭部隊，後麵是第13和14裝甲師和第60摩托化步兵師。一路上都是殘酷的戰鬥。黨衛隊部隊艱難地進入該城的郊區，一個屋子接一個屋子激戰。反擊的T-34坦克碾過德軍摩托化步兵的反坦克炮，把它們變成扭曲的碎片。但是，德軍坦克最終突破成功，並且在11月20日攻入城裏。警衛旗隊占領了架設在頓河上一座至關重要的鐵路橋；摩托化步兵和一個裝甲師追擊向東南撤退的蘇軍。德軍現在不僅控製了通往高加索的門戶，而且還控製了南俄羅斯主要的交通要道，巴庫的物資和石油經這裏運往北方。
幾乎同時，一個位於頓河對岸待命的蘇聯集團軍發起了反攻。它的步兵在漫長的戰線上穿過封凍的河麵，不顧德軍機槍的致命火力勇往直前。一些蘇軍衝過河，爬上河岸，在被趕走前將手榴彈扔向德國守軍當中。
但是，這種自殺性攻擊實質上是一種牽製。真正的危險來自更遠的北方，在那裏，3個完整的蘇聯集團軍——31個師以及5個坦克旅——在上個月已經匆匆集結，在一定程度上是通過一位名叫赫魯曉夫的軍事政委組織完成的。哈爾科夫陷落的3天前，也就是11月17日，他們開始向南進攻，蘇軍的先頭師繞過賴希瑙第6集團軍的東翼以及第17集團軍，第17集團軍無法迅速通過泥地切斷蘇軍。
第一次攻擊指向羅斯托夫東北的第60摩托化步兵師，克萊斯特和龍德施泰特立即意識到他們在羅斯托夫的突出部有被夾擊的危險。德國人沒有足夠的士兵、坦克和彈藥堅守一條60英裏長的前線，11月28日，龍德施泰特下令撤退。陸軍總司令部11月30日給予批準，但是希特勒撤回陸軍總司令部的命令。龍德施泰特非常憤怒，要求撤掉他司令官的職務。希特勒同意了，用賴希瑙頂替了他。元首大發脾氣，不能允許撤退！必須不惜一切代價堅守住羅斯托夫。
但是，賴希瑙也看到局勢無可挽救並打電話給希特勒懇求允許撤退。12月1日，希特勒態度緩和了，羅斯托夫裏麵和周圍的部隊移動到米烏斯河前6英裏更易防守的陣地。盡管相互矛盾的命令造成了混亂，但是絕大部分部隊成功地進行了一次有秩序的撤退。這是紅軍發動的第一次反擊，規模大而且得到了順利的執行。
羅斯托夫撤退後，緊接著在遙遠的北方又出現一次更具災難性的撤退。自從霍普納的第4裝甲集群向南增援鮑克進攻莫斯科後，列寧格勒前線一直保持平靜狀態。第18集團軍的大部隊繼續包圍該城，而第16集團軍堅守一條從伊爾門湖到奧斯塔什科夫周圍地區的戰線，奧斯塔什科夫地區的戰線連接中央集團軍群的左翼。
然而，有一個目標依然對希特勒很重要——季赫溫城，一個鋁土礦礦產中心，它是列寧格勒以東115英裏的一個重要的鐵路交彙處。蘇聯人利用鐵路通過季赫溫城將物資運到拉多加湖東岸，從那裏通過駁船運往列寧格勒。現在拉多加湖正在結凍。不久，蘇聯的車隊將能夠從冰麵上駛過。圍繞列寧格勒的包圍線在這裏將有一個巨大的漏洞，除非占領季赫溫、湖東岸的轉運點以及更北邊的斯維爾河。另外，德國人希望他們的芬蘭盟國從北麵繞過湖發動進攻並同他們在斯維爾河會合，收緊這個口袋。
受命攻占季赫溫的是第39裝甲軍，由兩個裝甲師和兩個摩托化步兵師組成，全部置於司令官魯道夫·施密特將軍的指揮下。10月15日出發，施密特的部隊穿過第16集團軍在沃爾霍夫河的防線並進入泰加森林，一個由沼澤和針葉樹構成的未經探查的近北極原始森林。施密特派出偵察小隊為坦克和卡車找路，他的軍隊則伐樹向前進。3個多星期後，第12裝甲師的部隊攻進季赫溫。步兵占領了西部的道路，同時坦克部隊占領了城東邊。迄今為止，一切進行得很順利，但是俄國人沒有心情允許列寧格勒惟一的生命線被堵死。11月15日，一支新的西伯利亞師向德國環形防線發動進攻。蘇軍得到裝備了一部分T-34坦克的一個旅的支援，還有喀秋莎火箭炮的炮火支援，喀秋莎將成千上萬磅炸彈砸向德軍陣地。隸屬於德軍摩托化步兵的第18炮兵團打掉50輛巨型蘇聯坦克，但是西伯利亞師繼續進攻。
兩個德軍師堅守，但是季赫溫已經被炸成燃燒的廢墟。更多的西伯利亞部隊也在攻打第39裝甲軍的其他兩個師，這兩個師一直企圖同芬蘭人在斯維爾河會合。很快第39軍的新司令官馮·阿尼姆中將，他是在施密特被派往南方接替患病的魏克斯中將後擔任司令職務的，清醒地意識到他的裝甲軍處於一個極端險惡的境地，無遮無攔地暴露在殘酷的北極冬季中而且任憑蘇聯紅軍進行反攻。他命令撤向沃爾霍夫，他的部隊開始向後穿過65英裏的封凍沼澤和荒原。
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，在戰鬥中為了使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。
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蘇聯的鐵路線起點，但是基本上沒有送達前線。當溫度驟然跌到零度和零度以下時，士兵們穿著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還想去發動一次攻勢。然而，當11月進攻開始時，德軍竟迫使蘇聯人後撤。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，那裏距蘇聯首都隻有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。幸運的部隊在農家小屋裏找到避寒之處，但是多數的部隊難以找到禦寒的地方，因此凍傷成為流行病，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至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1突擊集團軍的兩個旅，步兵有超出編製的大炮支援。蘇聯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。
這條戰線使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。其他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。
再往北幾英裏，第4裝甲集群的另外兩個軍也在向前推進。先頭部隊奮勇作戰，第5和第10裝甲師和黨衛隊摩托化“帝國”師跋涉過森林和雪地，從一個村戰鬥到另一個村，直到他們抵達伊斯特拉河，這條河在那裏變寬流入一個水庫。在強大的炮火下，一個摩托車營穿過冰麵並在岸對麵為跟上來的大部隊建立了一個立足點。第10裝甲師的一個作戰大隊攻打伊斯特拉，仍然向更遠方攻擊。第38先鋒營的一個摩托車突擊隊快速向前推進以占領盧布尼亞的火車站並偵察該城以南地區。發現沒有抵抗，這些突擊隊員們炸毀了火車站並呼嘯著向希姆基衝去，希姆基是距莫斯科5英裏莫斯科河上的一個登陸處。在蘇軍對他們發動沉重的反攻之前，莫斯科離德國人越來越近。
沿斯摩棱斯克-莫斯科公路的進攻也終止了。克盧格第4集團軍的一部分，第478步兵團的第3步兵營，是最最幸運的，這個營攻占了布爾澤沃村並在那裏挖掘戰壕。十幾個士兵爬進封死的農家小屋，圍繞在巨大的爐子前暖和身體。他們把磚堆在火焰旁邊，當到換崗的時候，士兵們拿上纏上破布的熱磚，解凍他們的武器。暴露在野外的部隊卻無處逃脫寒冷的季節。無法在凍得像岩石的地麵上挖出任何避寒處，他們隻能痛苦地徒勞地擠成一團以維持體溫，成千上萬的人死於凍傷。許多人得了奇怪的欣快症，這隻是因為體溫過低在神誌不清前產生的症狀，他們就在雪地上扭曲然後死去。
12月5日，克盧格撤出納臘河後麵第4集團軍的攻擊部隊並單方麵地終止了進攻作戰。第二天，鮑克放棄了，而且對中央集團軍的其餘部隊發布了同樣的命令。他的部隊太疲憊了，無法繼續進攻。第128陸軍炮兵團的一個年輕中尉在給漢堡母親的信中表達了同樣的挫折感：“這些俄國人似乎擁有無窮無盡的補充人員。在這裏他們每天卸下來自西伯利亞的新部隊；他們帶來新武器並在所有的地方布滿地雷。12月30日，我們發動了最後一次進攻——一個我們叫做梨子的小山和一個叫做列寧的村莊。在大炮和迫擊炮的掩護下，我們成功地攻占了整座山和半個村莊。但是到晚上，我們不得不全部放棄以有效地抵禦蘇軍持續不斷的反擊。我們隻需要再前進大炮射程內的8英裏就能到達莫斯科——但是我們就是做不到。”