190年月，希特勒下达入侵英国的第16号作战指令（“海狮计划”）。即便如此，希特勒仍然对是否登陆英国举棋不定，这是因为进攻英国有悖于他“合英侵苏”的既定方针，同时以薄弱的海军实施跨海作战要冒很大的风险。他认为：“鉴于德国不是海上大国，德军即使侥幸登陆成功，并将英国击败，结果是遍布世界的英帝国土崩瓦解，德国得不到任何好处。我们以德国人的鲜血换取的，只是对日、美有利的东西。”
190年6月，苏军进驻波罗的海三国，同时入侵罗马尼亚的比萨拉比亚和北布科维纳地区，逼近罗马尼亚普洛耶什蒂和巴克乌油田，这对德国装甲和摩托化部队赖以生存的石油来源构成严重威胁。不仅如此，英国、美国、苏联有联合抗德的趋势，尤其让希特勒感到担忧。因此，他一面要求德军尽快做好登陆英国的准备，一面指示陆军着手研究苏联问题。
190年月31日，希特勒在一次军事会议上初步决定：“191年5月开始，以120个师的兵力、5个月的时间东征苏联。”希特勒这次的计划仍旧引起了他的将军们的担忧。9月6日，海军司令雷德尔提醒希特勒：“切记同时入侵苏英两国”；11月13日德国空军司令戈林甚至宣称：“此时同苏联开战显然是愚蠢之举。”
12月15日，希特勒在同陆军总司令布劳希奇元帅交谈中说：“俄国人素质低下，经过大清洗的苏军群龙无首，如同法国人一样，俄国人在武器方面不及我们……在指挥、物资和部队诸方面，我们都登上有目共睹的巅峰，而俄国人会陷入明显的低谷，俄军将一触即溃。”同时他认为：“英国在敦刻尔克撤退后，陆军已经所剩无几，几年内不会重返欧洲大陆。作为德国主要潜在敌人，美国将在太平洋受到日本的有力牵制，美国的军备要到195年才能充分发挥作用。最近其间，美国仅限于以武器支持英国和苏联。”他确信德国如果入侵苏联，近期并无后顾之忧，不至于重蹈一战时期两面作战的覆辙。由此可见，希特勒的战略判断在很大程度上依靠自己的主观臆断，而非客观事实依据。
190年12月18日，希特勒签发第21号作战命令“巴巴罗萨计划。”
在巴巴罗萨计划中，德军对比了苏德两国的军事力量，情报显示战时苏联总兵力约151个步兵师、32个骑兵师和38个机械化旅。其中集结在西线的兵力大约有96步兵师、23个骑兵师和28个机械化旅。德国可以投入的地面部队为2个装甲师、12个摩托化师、110个步兵师和山地师，以及1个骑兵师，总计1个师，数量上优于苏联。空军德苏实力相当，海军实力则苏联更强。
苏联西部的地形和交通状况是南方河流纵横，道路短缺；北方森林密布，不利于机动；中北部地势平缓，交通便利，明斯克、奥尔沙、斯摩棱斯克一线是装甲部队向莫斯科突击的最佳路线。
气候方面，适合对苏联作战的时间是5月中旬至10月中旬。
基于上述条件，德军计划以莫斯科方向为主要突击方向，基辅为辅助突击方向。首先歼灭苏联北部兵力于伏尔加河上游，并占领莫斯科；同时以一部兵力夺取波罗的海沿岸港口和列宁格勒；南路以钳形攻势攻占乌克兰。希特勒要形成这样一条战线：“……俄国空军从该线出发不再能攻击德国的领土，战线大致在伏尔加河、阿尔汉格尔斯克一线，即：将俄国人赶出欧洲。最终由空军摧毁俄国残存的乌拉尔山工业区，彻底消除俄国的抵抗能力。”
方案还提出，德军编成南方和北方两个集团军群，另以陆军总司令部预备队在北方集团军群后方跟进。此后，统帅部作战部部长约德尔提出上述方案的修改意见，提出德军以3个集团军群分别向列宁格勒、莫斯科和基辅方向实施突击，中路进至西德维纳河后，在不改变莫斯科为主攻方向的前提下，视情况选择北上围歼东撤苏军。同时他还提出德国空军应将苏军飞机消灭在机场上。
191年1月31日，陆军总司令布劳希奇下达《巴巴罗萨作战预令》，命令南方集团军群从卢布林地域向乌克兰方向实施快速突破将乌克兰地域内的苏军消灭于第聂伯河以西地区；中央集团军从华沙和苏瓦乌基出发，向明斯克方向实施钳形突击，占领斯摩棱斯克；北方集团军群从东普鲁士出发，歼灭波罗的海沿岸苏军部队，尔后与芬兰协同，占领列宁格勒和喀琅施塔得。
191年2月，德军开始陆续向指定位置集结，至191年6月21日傍晚，参加巴巴罗萨行动的德国陆海空三军全部完成展开。
前身为德军C集团军群的南方集团军群辖第11、第1、第6集团军和第1装甲集群，共51个师又1个旅，另有第航空队和罗马尼亚、意大利、匈牙利等仆从国部队协同作战。
前身为B集团军群的中央集团军群辖第、第9集团军和第2、第3装甲集群，共56个师又2个旅，另有第2航空队支援。
北方集团军群辖第16、第18集团军和第装甲集群，共31个师，另有第1航空队提供空中支援。
此外，德军挪威集团军共个师又1个旅，在德军第5航空队和芬兰空军支援下，同芬军协同作战。
陆军总司令部预备队有2个装甲师、1个摩托化师和11个步兵师，准备陆续加强各集团军群。
苏联方面，斯大林非常清楚，德国和苏联之间迟早要爆发战争，1939年双方签署的互不侵犯条约不过是一种权宜之计。
190年5月，刚刚就任英国首相的丘吉尔决定改善和苏联的关系，6月25日，他写信给斯大林，表示要消除隔阂，建立互利互信关系，共同讨论抗击德国的问题，斯大林对此没有做出积极回应。
在德国积极准备对苏联的行动期间，从各种渠道传来的警报预示着战争已经临近，斯大林则认为这些都是“无稽之谈”。在一次同朱可夫谈话中，他说：“你看，英国是怎样千方百计地拿德国人吓唬我们，又拿我们当作怪物吓唬德国人，这显然是挑唆我们互相残杀。”
同样，德国为了掩盖进攻苏联的企图，将进攻苏联的准备和兵力东移说成是避免英国的轰炸；德国还邀请斯大林访问德国，在未能成行后，又盛情款待苏联外长莫洛托夫。这些措施都对迷惑苏联起到了一定的作用。191年11月，回国后的莫洛托夫认为：“战争将要爆发，但不是今天，也不是明天。”斯大林也预测：“战争不可能在191年发生，有可能推迟到192年。”
在战略方向上斯大林同样犯了错误，苏联总参谋部认为：“德军将从北、中、南三个方向发起进攻，并中部作为主要突击方向。因此，红军主力应集中在白俄罗斯。”斯大林听取了总参谋部的报告后，指出“我不完全明白，总参谋部把力量集中在西方向的方针，你们说希特勒求通过最短的路线向莫斯科发起主要突击。然而我想，德国人特别看重乌克兰的粮食、顿巴斯的煤。现在希特勒已经在巴尔干站稳脚跟，他就更可能在西南方向发起主要突击。”190年10月1日，经过修改的防御计划遵照斯大林的意见，预计德军的主要突击方向在西南方向，并加强基辅特别军区的防御力量。
在兵力动员上，1939年9月，苏联颁布《普遍义务兵役法》，并将征兵年龄从21岁降为19岁。1939年1月，苏军编制人数为19.3万人，到191年6月已经增长到500万人，其中290多万人部署在欧洲边境地区。
在军事装备上，苏联在191年3月计划组建20个机械化军，至战争爆发，因生产能力无法满足，这一目标没有达成。在空军部队、空降部队和防空部队建设上，也因为工业能力的不足，没有完成预期计划。
191年6月13日，苏联国防委员会委员铁木辛哥元帅综合苏联情报部门大量关于德军向苏联边境集结的报告，特别是苏联谍报人员佐尔格从日本提供的关于德军侵苏计划的报告，向斯大林要求下达边境部队进入作战状态的命令，斯大林没有采纳。
191年6月21日夜，基辅军区参谋长普尔卡耶夫向总参谋长朱可夫报告，据一名向苏联红军边防部队投诚的德军司务长供称，德军正在进入进攻出发地域，将于6月22日，发动进攻苏联的战争。朱可夫立即向铁木辛哥和斯大林报告，斯大林终于同意边境军区部队立即进驻国境线各火力点，并于次日拂晓前所有部队进入战备状态，这时距离德军发动进攻仅有几个小时。
191年6月22日凌晨3时，德国空军出动2000多架飞机，开始对苏联境内的机场、军事基地、交通枢纽和重要城市发动空袭，巴巴罗萨行动拉开序幕。
时30分，德军三个集团军群共计152个师，以装甲集群和摩托化部队为先导，从波罗的海至喀尔巴阡山脉一线1500公里的正面向苏联发动进攻。5时30分，德国驻苏联大使冯舒伦堡向苏联外长递交宣战，随即罗马尼亚、斯洛伐克、芬兰、匈牙利、意大利和西班牙陆续向苏联宣战。
在战争爆发的第一天，苏联统率部对局势一度失去控制，无法了解前线的战况，铁木辛哥和斯大林错误地认为边境部队可以发动反击，从而阻挡住德军的进攻。然而，事实并非如此，仅6月22日这一天，苏联就损失了1200架飞机，德国的装甲部队向前推进了50公里，边境地区的军事设施、军用物资几乎全部落入德国之手。
在冯·勒布指挥的北方集团军群进攻方向，第装甲集群从东普鲁士出发，向列宁格勒实施突击，第18、第16集团军负责两翼跟进。苏军波罗的海沿岸特别军区的第8、第11、第2集团军万人仓促之下投入防御。至22日黄昏，德军突破苏军防线；23日，苏军根据统帅部第3号命令，以第8集团军和第11集团军所属的机械化部队2个军，向德军第装甲集群发动反击，3昼夜后，苏军被迫撤退。26日，德军渡过西德维纳河；月1日，苏军第8集团军遭受严重损失，向爱沙尼亚方向撤退。第11集团军被德军击溃，部队失去控制。第2集团军同样没有抵挡住德军第装甲集群的突击开始后撤。截止到月10日，苏联西北方向阵亡392人，伤1328人；德军向前推进00~500公里，并占领立陶宛、拉脱维亚等苏联国土。
在冯·博克指挥的中央集团集群进攻方向，苏军为巴普洛夫大将指挥的西方面军，下辖第3、第10、第、第13集团军，共计62.5万人。因为战争爆发得突然，方面军绝大部分部队没有在战前进入预设阵地，尚在驻地进行日常训练。6月22日晨，德军第2、第3装甲集群分为南、北两个方向同时发动攻势。其中北路第3装甲集群从东普鲁士攻入立陶宛，协同北方集团军群的第装甲集群将苏军第3集团军包围；南路第2装甲集群强渡布格河，迅速突破苏军第集团军的防线，至25日，该集群突入苏联国境纵深200公里，对苏军西方面军形成合围之势。
当晚，苏联命令处于包围圈的第3、第10集团军向东面突围，但是撤退路线仅有60公里宽，且只有几条乡间小路可以使用，根本不能顺利施行突围行动。6月28日，明斯克失陷。德军第、第9集团军完成对苏军的包围。至月9日，苏军被包围的部队几乎全军覆没，德军俘虏近33万人，并缴获3332辆坦克和1809门火炮。随后苏联统帅部解除了巴甫洛夫的职务，他和西方面军其他几位将领被判处死刑。
此后，铁木辛哥接任西方面军司令，并将统帅部预备队集团军群的第19、第20、第21和第22集团军布置于西方面军以东的第聂伯河上游、西德维纳河一线，以加强莫斯科方向的防御。但是，苏联仍然无法阻止德军第2装甲集群的攻势，至月10，白俄罗斯全部领土沦陷，德军向前推进了50~600公里。在开战的前20天中，西方面军阵亡3万人，负伤61人，另有30多万人被俘。
在伦德施泰特指挥的南方集团军群进攻方向，德军第6、第1集团军和第1装甲集群从波兰的卢布林地区向基辅方向发起攻击。由于苏联统帅部在战前判断这里是德军的主攻方向，所以西南方面军和南方面军兵力雄厚。其中西南方面军下辖第5、第6、第26和第12集团军，南方面军辖第18、第19集团军，两个方面军共计86.5万人。6月22日，第1装甲集群向苏军第5、第6集团军结合部开始突击；苏军当日组织6个机械化军和3个步兵军实施反突击，双方爆发开战以来首次大规模坦克战。由于缺少统一指挥且缺乏各兵种组织协同，苏军的反击被德军击退。6月30日，德军攻占利沃夫，苏军为避免被合围决定从西乌克兰后撤至旧国境筑垒地区。月1日，德国第11集团军和配合德军入侵苏联的罗马尼亚部队从罗苏边境出发，强渡洛特河，向德涅斯特推进。月日攻占奥斯特罗格。至此，德军在乌克兰方面推进了300~350公里，苏军阵亡12323人，负伤6921人。
德军挪威集团军和芬兰军队的进攻，由于苏军第1、第集团军预先准备充分，德军进展不佳，至月中旬，只推进了25~30公里。
从6月22日至月9日，苏军损失极为严重，30个师不复存在，0个师的人员和装备损失超过50%，空军损失3500架飞机，飞行料和弹药一半被毁。德军在这一阶段的进攻中，损失同样严重，部队伤亡近15万人，950多架飞机被击毁，坦克损失数百辆。
为了战事需要，苏联迅速调整指挥机构并在全国实施总动员。6月23日，苏联宣布对1905年～1918年出生的有服兵役义务的人员实行动员；6月30日，成立国防委员会，由斯大林担任主席，莫洛托夫担任副主席；月3日，斯大林要求全体苏联公民：“把所有牲畜赶走，把粮食交给国家机关保管，以便运到后方，凡是不能带走的一切贵重物资，都应当全部销毁。”月15日，统帅部决定集团军小型化，撤销军一级指挥机构，每个集团军直辖5～6个师，每个师保持8000～9000人规模不变。