9月底，德军统帅部重新向莫斯科方向发起进攻，德军从北、中、南三个方向挺进莫斯科，力图合围消灭西方面军、预备队方面军和布良斯克方面军，并在冬季到来之前攻占莫斯科。至10月1日前，进攻莫斯科的德军“中央”集团军群(辖3个集团军，3个坦克集群)共有180万人，坦克1700辆，火炮和迫击炮1.4万余门，飞机约1390架。这一方向的苏军各方面军共有125万人，坦克990辆(内重、中型坦克167辆)，飞机677架，火炮和迫击炮7600门。1941年9月30日—10月2日，德军转入进攻。伟大卫国战争和第二次世界大战中最重要的事件莫斯科会战开始了。至10月7日前，德军在维亚济马以西及其西北合围了苏军重兵集团。在一周内，苏军顽强抵抗，牵制了突向莫斯科的28个师，尔后以部分兵力退守莫扎伊斯克防御线。苏军统帅部急从战线其他地段和内地向莫斯科附近调集了兵力。10月10日，西方面军与预备队方面军合编为西方面军，由朱可夫大将任司令。10月20日，莫斯科及其附近地区宣布戒严。10月23日，维亚济马—布良斯克战役结束，德军在此战中共俘虏苏军67.3万人。10月底苏军西方面军终于在莫扎伊斯克防线阻住了德军的进攻。

11月15—18日，德军向莫斯科发动了新的进攻。德军付出重大损失，才于11月底从北面前进到亚赫罗马、红波利亚纳、克留科沃(距莫斯科25—30公里)，而从南面突向卡希拉。莫斯科岌岌可危。苏联国防委员会和苏军最高统帅部及时调整战略部署，改善战争指导。军事上，以顽强防御阻止敌人进攻，把大批战略预备队陆续投入最危急的作战方向，并在敌占区广泛开展游击战。经济上，充分发挥社会主义制度优越性，将大批工厂东迁，使经济转入战时轨道。经5个多月艰苦战斗，苏军尽管损失官兵330余万人和大量武器装备，后退850～1250公里，但终于阻滞德军的进攻并建立了新防线。11月底，苏军在亚赫罗马地域(突击第1集团军)，洛布尼亚和红波利亚纳附近(第20集团军)卡希拉附近(近卫骑兵第1军)实施了反突击。莫斯科民兵师在莫斯科附近奋勇作战。12月初，德军各突击集团已疲惫不堪，消耗严重，被迫停止进攻并转入防御。在莫斯科附近防御交战中，苏军表现了坚韧不拔和集体英雄主义精神。

苏军在列宁格勒东南转入反攻，促进了莫斯科会战的胜利。德军对列宁格勒构成第二个合围圈的企图被打破了。南方面军在苏联元帅铁木辛哥的指挥下，粉碎了罗斯托夫附近的德军兵团，解放了罗斯托夫，并把德军赶过米乌斯河，取得了苏德战争中第一个大规模进攻战役的胜利。

在5个月的激烈交战中，德国企图在一个速决战局中战胜苏联的计划遭到破产。苏军疲惫和消耗了德军各突击集团，迫使它们在整个苏德战场转入防御。苏军的英勇行动，打破了德军计划，为组建苏军新的部队和兵团以及使国民经济转入战时轨道赢得了时间。所有这一切使最高统帅部大本营能够准备和顺利实施苏军在莫斯科附近的反攻。

12月5—6日，加里宁方面军，西方面军以及西南方面军右翼在西部战略方向转入反攻。这是苏军在伟大卫国战争中的第一次战略性进攻战役。在莫斯科附近的反攻中，苏军击溃了德军“中央”集团军群各突击集团，至12月底前推进了100—250公里。“中央”集团军群的11个坦克师，4个摩托化师、23个步兵师被击溃，其余师遭重创，德军损失50余万人。对莫斯科的直接威胁消除了。1—4月，苏军在西方向总攻中又前进80—250公里，击溃德军16个师另1个旅。但由于苏军总体力量和武器装备不足，战略预备队分散使用，反攻未能获得圆满成功。

德军在莫斯科附近的失败和苏军1941—1942年之交冬季的进攻，具有重大军事政治意义。苏军在第二次世界大战中首次大败德军，夺得了战略主动权，迫使德军在整个苏德战场转入了战略防御。“闪击战”计划彻底破产。苏军在全世界面前揭穿了德军“不可战胜”的神话，迫使德军不得不打持久战。德军在莫斯科附近的溃败，是战争进程中根本转折的开始。

苏军的胜利为反法西斯同盟的形成奠定了基础。1942年1月1日，包括苏、美、英、中在内的26个国家签署了关于把军事和经济资源联合起来打败法西斯集团的宣言。

德军统帅部针对苏德战场出现的形势改变战略计划，放弃全面进攻，转而在苏德战场南翼实施重点进攻。由于欧洲没有第二战场，德军统帅部得以将基本力量集中于南方，以图进抵高加索石油区及顿河、库班河、伏尔加河下游等物产丰富地区。德军统帅部指望，这一战局的胜利结束，能把土耳其和日本拖入侵苏战争。截至1942年5月前，德军在苏德战场共约620万人，坦克和强击火炮3229辆，作战飞机3395架，火炮和迫击炮约5.7万门。此时，苏军作战军队(海军和防空兵除外)共有510万人，火炮和迫击炮44900门，坦克3882辆，作战飞机2221架。苏联陆军和空军的组织编制得到了改进，方面军属坦克军和坦克集团军以及空军集团军开始组建，战略预备队的兵团数量有所增加。截至1942年夏初前，这些措施尚未完成。

1942年5月，德军首先突破了苏军在刻赤半岛的防御，迫使苏军撤往塔曼半岛。1942年7月4日，苏军经激战后，被迫放弃了塞瓦斯托波尔，9万人被俘。1942年5月12日，西南方面军(司令为苏联元帅铁木辛哥)在哈尔科夫方向发起进攻。5月12日，德军转入反攻，分别由克拉马托尔斯克地域和哈尔科夫以北地域实施突击(参见哈尔科夫战役)。这次战役苏军受挫，24万人被俘。苏军在克里木和哈尔科夫地域的战役中失利，使苏德战场南翼情况极端复杂化。德军又夺得了战略主动权，并于6月底展开总攻。在德军优势兵力突击下，布良斯克方面军，西南方面军和南方面军至7月25日前分别后退150—400公里，放弃了顿巴斯东部地区和顿河右岸。7月月中，德军进抵顿河大弯曲部，造成了突向伏尔加河及高加索的现实威胁。在斯大林格勒方向和高加索方向开始了激烈的防御交战(参见斯大林格勒会战、高加索会战)。1942年7月12日，组成了斯大林格勒方面军，在巴甫洛夫斯克、上库尔莫亚尔斯卡亚之间顿河大弯曲部占领防御。7月17日，第二次世界大战中最大的斯大林格勒会战的防御阶段开始了。该阶段一直延续到1942年11月月中。苏军顽强浴血战斗阻止住了由第4航空队支援的德军第6集团军。从高加索方向调来了德军坦克第4集团军增援第6集团军(司令为保卢斯上将)。7月31日，两个集团军重新向斯大林格勒发起进攻。德军优势兵力突破了刚组建的东南方面军的防御，并于8月6日逼近斯大林格勒外层防御围郭。8月9日，苏军在这里实施了反突击，迫使德军转入防御。8月17日，第6集团军和坦克第4集团军继续进攻，强渡了顿河，8月23日其部分兵力在斯大林格勒以北雷诺克地域进逼伏尔加河。从9月到11月上半月，苏军(第62、第64集团军)在市内同德军优势兵力进行了激烈战斗。

在高加索方向，战斗行动从7月25日起展开。北高加索方面军和外高加索方面军(在黑海舰队协同下)在顿河与高加索山主脉山前地带之间以及高加索山地和黑海沿岸进行的艰苦防御战斗中，疲惫了德军“A”集团军群，并于11月初阻止了它的进攻。斯大林格勒会战和高加索会战的防御阶段到此结束。苏军转入反攻的有利条件业已形成。1942年5—9月，苏军统帅部在西北方向、西方向和沃罗涅日方向实施了数次局部进攻战役，这些战役牵制了德军兵力，对主要方向即西南方向的战役结局产生了巨大影响。

总之，战争第一阶段是苏联人民及其武装力量最艰苦的阶段。德军夺取了部分苏联领土，战前这部分领土上的人口约占全国的42％，工业总产量占全国的三分之一。但是德国未能达到侵苏战争预期目的。其政治和军事计划均告破产。1941—1942年之交的冬季，在苏德战场，德军在第二次世界大战中首次遭到最大失败。

在严酷的战斗中，苏军指挥员和其他人员在政治上得到了锻炼，战斗技能捉高了，这就有可能在1942年10月在苏军中取消政治委员制，改行完全的一长制。对敌反击所以加强，也是国家后方得到巩固的结果。由于党和政府的大量工作以及苏联劳动者的英勇奋斗，至1942年底国家已有了安排就绪、迅速增长的战时经济。苏联人民以其在前方的英勇行动和在后方的劳动功勋，于1942年底前为在反法西斯德国及其盟国的斗争中争取有利的根本转折创造了条件。