英国首相丘吉尔在德军入侵苏联的当天，发表了一篇颇为坦率的演讲：“过去二十五年来，没有人比我更为坚持不懈地反对共·产·主·义……但是在当前的境况面前，都黯然失色了。我们只有一个目标和一个不可改变的目的，我们决心消灭希特勒及其一切纳粹政权的残余……任何与希特勒为伍的人或者国家都是我们的敌人。我们将尽一切力量帮助俄国和俄国人民。”
德国方面对苏德战场的进展非常满意，月3日，陆军总参谋长哈尔德大将宣称：“歼灭西德维纳河与第聂伯河俄军主力的任务已经完成......1天内对俄战争便可打赢。”陆军总司令布劳希奇也向希特勒汇报说：“苏联兵团有16个，其中89个被歼，8个尚能作战，18个部署在芬兰等次要战场，其余11个情况不明。由于军事指挥员和专业技术人员的大量缺编，苏军在短期内不可能重建一批合格的战斗部队。”
尽管德军做出的判断过于乐观，其依据的情况也并不完全准确，但是有一点是非常确定的，就是苏军的实力远弱于德军。
月5日，南方集团军群发起基辅战役，伦德施泰特命令第1装甲集群和第6集团军实施主要突击，第1集团军和斯洛伐克军队担任辅助突击，第11集团军和罗马尼亚军队担任侧后突击。因苏军在前期作战中及时后撤，部队尚保持强大的作战能力，在德军发起基辅作战之际，第5、第6集团军向德军第1装甲集群和第6集团军侧翼发起反击，德军的进攻受挫；同时，在德军第11、第1集团军正面，苏军的机械化部队也发起反击，经激战德军在遭遇重大伤亡的情况下，艰难突破苏军防线，苏军退至第聂伯河。
德军第1装甲集群和第6集团军在遭遇苏军侧击后，凭借其机动性，迅速调整进攻方向，迂回至别尔基切夫，切断苏军第26、第6、第12集团军退路。月9日，苏军以3个机械化军的兵力向德军反击，试图营救被围苏军；希特勒紧急抽调部队增援，至16日，苏军成功将第6、第12集团军主力撤出包围圈。
8月1日，德军再次将苏军第6、第12集团军包围在继续以南的乌曼地区，8日，苏军20个师、约10万人被俘。
不久，希特勒在德军将领一片反对声中，决心南北分兵。8月25日，中央集团军群的第2装甲集群暂时归属南方集团军群指挥，德军随即发起向基辅的最后进攻。第6集团军负责从正面突击，并以一部迂回基辅以北；第1装甲集群向基辅东南发起攻击，31日德军渡过第聂伯河，准备北上与第6集团军会和，9月10日，第6集团军第51军和第1装甲集群于洛赫维察会师，苏军3个集团军被包围在基辅地区。9月11日，西南方向总司令布琼尼元帅（统一指挥西南、南方面军和黑海舰队）向统帅部要求部队突围，遭到斯大林拒绝。9月19日，基辅失陷。26日，包围圈内的苏军66万人向德军投降。
月10日，中央集团军群发起斯摩棱斯克战役，第2、第3装甲集群实施钳形攻势，苏军西方面军被切割成3段。苏军发起反击无果，至月16日，德军攻占斯摩棱斯克东北50公里处亚尔采沃，同日，斯摩棱斯克和奥尔沙相继失守。月20日，德军第2装甲集群第6装甲军攻占斯摩棱斯克以东0公里处的叶利尼亚，从而形成伸向莫斯科的突出部。月26日，西方面军被合围在斯摩棱斯克地区；30日，朱可夫大将奉命在西方面军后方组建预备队方面军，继续负责莫斯科方向的防御；8月5日，斯摩棱斯克地域的苏军被全歼，苏军被俘31万人。德军在这一阶段作战中损失25万人。此后，德军暂停攻势进入修整，随后因中央集群所属两个装甲集群被抽调，德军在这个方向上的进攻中断了2个月。8月30日，苏军预备队方面军第2集团军向叶利尼亚实施反击，以消除威胁莫斯科的突出部，至9月日，德军无力支撑且有被苏军包围的危险，6日德军后撤。
月10日，德军北方集群司令冯勒布元帅发起列宁格勒战役，第装甲集群兵分两路实施主要突击，第1装甲军在左翼、第56装甲军在右翼，计划天推进300公里完成对列宁格勒的包围。苏军依托卢加防线节节抵抗，德军的战役企图没有实现。德军第18集团军于月10日从爱沙尼亚方向发起进攻，苏军第8集团军对其实施了有效的阻击。
北线芬兰军队在曼纳海姆元帅的率领下向苏军卡累利阿防线发起进攻，试图夺回苏芬战争期间丧失的国土，至月22日，芬兰军队进至苏芬战争前两国旧边界线即停止进攻。
月19日，冯勒布调整作战部署，放弃之前制定的突袭，改为步坦协同、稳步推进，并将主力分为三个突击集团实施对列宁格勒的进攻。月31日，德军发起第二轮进攻，至8月中旬，德军进展仍然不顺利，8月12日，苏军实施反击，德军进攻失败。
8月中旬，中央集群第3装甲集群北上，北方集群第三次向列宁格勒发起攻势，至8月26日，苏军第22集团军一部被围歼。8月29日，苏军统帅部撤销北方面军战斗序列，将其分为列宁格勒方面军（司令员伏罗希洛夫）和卡累利阿方面军，以便于列宁格勒方面专注于保卫列宁格勒。9月8日，德军完成列宁格勒的陆上封锁，从此列宁格勒只能通过拉多加湖和空中保持对外界的联系。9月9日，德军开始进攻列宁格勒郊区。10日，苏军统帅部任命朱可夫担任列宁格勒方面军司令，在接下来的20天里，德军向列宁格勒发动了多次猛烈进攻，苏联守军始终没有让德军攻入城内，德军不得不再次放弃进攻计划，开始长期围困列宁格勒，从此这座城市开始了900多天的围困岁月。
在巴巴罗萨作战计划中，陆军和希特勒始终对中央集群后续作战方向存在分歧，陆军主张中央集群的作战任务应该以攻占莫斯科为核心，然后再考虑向其他方向推进。但希勒特认为“莫斯科不很重要”，他主张德军攻占斯摩棱斯克以后，除保留一部分兵力以外，应分兵两翼，向北会和北方集群占领波罗的海地区，向南会和南方集群围歼乌克兰方向的苏军主力。月中旬，陆军和希特勒的分歧仍然没有解决，在希特勒的坚持下，魏克斯的第2集团军（该集团军于月中旬抵达苏德战场，编入中央集群）和古德里安的第2装甲集群南下参加基辅战役，霍特的第3装甲集群北上围攻列宁格勒。在中央集群方面，德军暂停了向莫斯科进攻的行动，从而给苏军创造了2个多月的时间加强莫斯科方向的防御。
在南方集群实施基辅战役期间，罗马尼亚第集团军于8月10向乌克兰敖德萨地区发起进攻，苏军独立滨海集团军和黑海舰队奉命坚守敖德萨，双方兵力为5比1。8月20日，罗马尼亚军队攻入敖德萨市区，苏军随即与敌军展开1个月之久的拉锯战。9月22日，苏军增援部队抵达，罗马尼亚军队被击溃。9月30日，德军南方集群已经进至哈尔科夫，苏军统帅部命令敖德萨守军撤至克里米亚半岛。
同时，在基辅战役尾声，德军即以第1集团军和1个装甲师向哈尔科夫方向推进。但受到天气的影响，以及苏军的顽强抵抗，希特勒暂停了进攻哈尔科夫的作战行动。10月1日，德军第1集团军和第6集团军再次向哈尔科夫方向发起进攻。10月20日第6集团军进抵哈尔科夫，经5天激战，德军攻取该城，此战德军伤亡惨重。在顿巴斯方向，第1装甲集群和第11集团军一部于9月29日投入进攻，10月日，苏军6个师被包围，至10日，被围苏军被全部歼灭，被俘10.6万人。11月2日，顿巴斯首府斯大林诺被攻占。
9月底，曼施坦因的第11集团军一部开始向克里米亚半岛发动进攻，在初期，德军仅有3个师的兵力（另有罗马尼亚军2个旅），而苏军第51集团军则拥有10个师防御克里米亚，同时他们还能得到黑海舰队的支援，10月初，敖德萨守军撤至克里米亚，守备力量进一步加强，德军一时无法取得进展。10月29日，德军第11集团军全部投入到克里米亚半岛，并突破苏军峡口防线，进入克里米亚半岛腹地。11月16日，夺取半岛东南部刻赤，而在南下进攻黑海舰队母港塞瓦斯托波尔要塞时，遭遇苏军顽强抵抗，被迫转入防御。12月26日，苏军高加索方面军在刻赤半岛发起两栖登陆，至192年1月2日，收复克里米亚东南的刻赤半岛，阻止了德军经刻·赤海·峡向高·加索地区进攻的可能。
9月19日，德军统帅部拟定对莫斯科方向进攻的第35号作战命令，即“台风”行动。根据指令，基辅战役结束后，第2、第3（欠第39装甲军）、第装甲集群全部集中到莫斯科方向。至此，中央集群集中了3个集团军和3个装甲集群，共180万人、100辆坦克、1.万门火炮和迫击炮，以及第2航空队的1390架飞机。
具体作战方案是：第9集团军和第3装甲集群为左翼，第集团军和第装甲集群为右翼，向维亚济马方向实施钳形突击；第2集团军和第2装甲集群分为两路向布良斯克实施钳形突击；第2、第、第9集团军各抽调一部分在正面实施佯攻。
苏军方面利用德军在斯摩棱斯克停留的2个多月时间，在莫斯科以西50公里正面，300多公里的纵深构建了3道防线和9道防御地带。并集结西方面军、预备队方面军和布良斯克方面军所属15个集团军和1个集团军级集群兵力，总计125万人、990辆坦克、600门火炮和迫击炮，以及6架飞机，虽然兵力不及德军，但是这已经是苏联全国总兵力的0%。
9月30日，莫斯科会战开始。
当日，德军第2集团军和第2装甲集群首先向布良斯克方向实施两翼包围，突破布良斯克方面军的防御，10月日占领奥廖尔并继续向莫斯科以南方向推进。苏军近卫第1步兵军在航空兵的支援下向德军反击，德军第2装甲军进攻被阻；10月6日，第装甲军攻占布良斯克，然后与左翼的德军第2集团军会和，将布良斯克方面军主力合围，至10月23日，被围苏军大部被歼灭。
在维亚济马方向，德军突破苏军预备队方面军和西方面军的防御，迂回维亚济马。10月日，德军第3、第装甲集群在维亚济马会和，将苏军个集团军包围，除一部突围外，其余苏军至10月13日被全部歼灭。至此，苏军在布良斯克和维亚济马两个地区损失了大量兵力，仅被俘人员就达6.3万人。
10月日，斯大林将朱可夫从列宁格勒调回莫斯科，担任西方面军和预备队方面军合并后的西方面军司令。10月10日统帅部向莫斯科方向紧急调集1个步兵师、16个坦克旅和0多个炮兵团重建防线。至13日，苏军在加里宁、莫扎伊斯克、罗福明斯克、拉罗斯拉韦茨、卡卢加一线完成新的防御体系。
同时，德军在尚未全歼维亚济马、布良斯克被围苏军的情况下，于10月10日继续进攻莫斯科。1日加里宁失守，1日苏军临时组建加里宁方面军，由科涅夫指挥个集团军实施反击，德军被迫转入防御。23日布良斯克方面军后撤，德军第2集团军进至图拉，随后遭得到近卫第1步兵军加强的布良斯克方面军的阻击，无法继续发展。
在中部，德军第装甲集群于10月中旬推进至距离莫斯科120公里的博罗季诺，激战5天，被斯大林寄予厚望的博罗季诺失守。10月2日，苏军第16集团军在航空兵的强大支援下，击退第装甲集群210辆坦克的进攻。
在前线激战正酣之时，苏联政府开始将莫斯科的中央机关、工厂撤往古比雪夫等东部地区。10月19日，莫斯科实行戒严。
在台风行动进行1个月后，德军损失惨重，所有参战的步兵师至少减员三分之一，装甲部队损失坦克超过50%，步兵损失一半以上。同时，德军的补给能力因为战线拉长和冬季即将来临而被削弱。即便如此，德军决定经过短期休整，继续向莫斯科方向突击。
在11月日这一天，为了激发俄国军队的斗志，苏联在莫斯科红场举行隆重的阅兵式。
11月15日，德军经过整补，战斗力有所恢复。与此同时，苏联也补充了10万官兵和300辆坦克、200门火炮，空军的飞机数量也达到了1000架。
11月16日，德军再次发动进攻，至11月28日，德军第装甲集群进至亚赫罗马，此处距离莫斯科仅0公里。11月28日，德军攻占伊斯特拉，这里距离莫斯科还剩2公里。12月2日第装甲集群攻占克留科沃，第2装甲集群切断图拉和莫斯科的铁路、公路，当日柏林的报纸已经为攻占莫斯科预留头版版面，而德军前线将领非常明白，德军的进攻力量已经用尽了。
莫斯科战役进行至此，苏德两国在莫斯科方向的军力对比已经发生改变，得益于苏联全力支援莫斯科保卫战，即便苏军遭受数次大的损失，都能够及时得到后方的补充。至12月初，苏军在莫斯科方向仍然保持100万以上的部队，作战飞机不降反增达到1200架。
12月3日，苏军开始全线反击，为避免合围，冯博克命令第3、第装甲集群与苏军脱离接触，向西撤退。12月5日，第50集团军也向第2装甲集群反击，恢复图拉和莫斯科的联系。
12月5日，苏军反攻，亚赫罗马、加里宁等城市相继解放。12月15日，苏联中央机构迁回莫斯科。至192年1月初，德军后退100~250公里，莫斯科暂时解除危机。
德国方面，希特勒于12月15日下令中央集群撤退。12月19日，陆军总司令布劳希奇被解职，陆军由希特勒亲自指挥。中央集群司令冯博克被要求“长期休假”，25日第2装甲集群司令古德里安被撤职。
苏德战场的硝烟暂时消散。