德军初期虽然疯狂无比，并取得了巨大进展。但越逼近莫斯科城下，苏联红军的抵抗越激烈。而德军则因连续作战，十分疲劳，同时供应线也大大拉长。恰在这时，俄罗斯的酷寒降临，莫斯科被冰雪覆盖。希特勒原以为莫斯科指日可下，未作好在酷寒条件下作战的必要准备，德军逐步陷入进退不得的困境中。
10月底，希特勒集中51个师，包括13个坦克师和7个摩托化师的兵力，再次强攻莫斯科。德军前锋进至距莫斯科城仅20公里处，士兵甚至可以凭肉眼望见克里姆林宫的尖顶。但恰在这时，德军进攻部队也进入衰竭状态。12月初，苏军乘德军兵临莫斯科城下，战线拉长、实力削弱之机，集中三个方面军的主力，沿800公里战线全线反攻，迅速粉碎德军前锋部队，迫使德军全线后撤。到1942年初，苏军向西挺进300公里，把德军赶回到进攻出发地，取得了莫斯科保卫战的胜利。
在莫斯科会战中，德军前后损失了50余万官兵、1300辆坦克、2500门大炮和15000辆汽车以及大量技术装备。德国陆军常胜不败的神话就此破产。苏联则因莫斯科保卫战的胜利，稳定了战线，粉碎了德军以“闪电战”灭亡苏联的企图，提高了广大军民战胜法西斯的信心。此外，莫斯科保卫战的胜利，还大大提高了苏联的国际威望。