巨大的包圍圈形成之後，接下來，德軍就要去消滅這個大口袋了。1941年9月16日，戰爭史上最大的圍殲戰開始了。德軍以第2集團軍和第6集團軍為主，發起圍殲作戰。
戰鬥開始之初，戰況激烈，防守的蘇軍拼死抵抗，此時，陣地上高音喇叭發出的斯大林那激動人心的講話，又傳遍了整個戰場，更使得紅軍勇氣倍增。蘇軍在無燃料又無彈藥的情況下，端起刺刀整營整營地向德軍的坦克、大炮和機槍發起多次勇猛攻勢，企圖突破包圍向東撤退。然而血肉之軀終究不敵鋼鐵，蘇軍在德軍坦克的炮擊、掃射和碾壓下，成千成萬地死傷，除少數部隊得以逃脫外，其主力仍處於圍困中。1941年9月20日，基輔城被德國第6集團軍攻佔。同日，德軍第46裝甲軍趕到，並作為生力軍投入戰鬥。與此同時，蘇軍也不斷地投入生力軍，企圖協助被困蘇軍突圍，但均被德軍擊退。
西南方面軍的部隊迅速被德軍分割包圍，陷入了一片混亂。1941年9月17日，斯大林讓蘇聯紅軍總參謀長蘇聯元帥沙波什尼科夫下令同意西南方面軍突圍，但為時已晚。1941年9月19日，基輔陷落，第37集團軍被迫向亞戈京地區轉移。西南方面軍在被合圍中繼續戰鬥。為其解圍的嘗試由於兵力不足而無結果。1941年9月16日至20日，西南方面軍被德軍分割成六股防禦力量：駐守在佐洛託諾沙鎮以北20到30公里處的第26集團軍在奧爾日察地區堅守到1941年9月24日；駐守在基輔東南方40到50公里處的第37和第26集團軍堅守到1941年9月23日；駐守在彼利亞金東南部的第21集團軍堅守到1941年9月23日；駐守在彼利亞金東部的第5集團軍堅守到1941年9月23日；駐守在基輔東北方10到15公里處的第37集團軍堅守到1941年9月21日；駐守在亞戈京地區的第37集團軍堅守到1941年9月26日。
整場戰役下來，僅部分軍隊得以分成小群向*圍，共有2萬官兵最後得以突出德軍重圍。1941年9月20日，方面軍司令基爾波諾斯上將、軍事委員會委員布林米斯堅科和參謀長圖皮科夫少將在突圍戰鬥中陣亡，第5集團軍司令波塔波夫坦克兵少將被俘，1941年9月26日，西南方面軍基本被殲。蘇軍第5、第21、第37、第26集團軍大部，第40、第38集團軍之一部被殲滅，65萬人被俘。
基輔戰役戰役持續了兩個半月以上，在正面300餘公裡、縱深約600公里的大片領土上進行。紅軍除人員損失外，德軍擊毀或繳獲884輛坦克，3718門火炮，3500輛車輛，可謂戰果輝煌。而戰勝的德軍也付出了10萬餘人的代價。
德軍在成功地殲滅了基輔口袋裡的蘇軍之後，開始將進攻矛頭指向了蘇聯的首都——莫斯科，轟轟烈烈的莫斯科保衛戰就此展開。德軍為此專門制定了攻佔莫斯科的“颱風”計劃。
“颱風”作戰的計劃，主要由德軍最高統帥部和包克的中央集團軍群協商制定，各項計劃都由希特勒審定批准。並把北方、南方集團軍群的部分兵力集中到中央集團軍群，增大戰役成功率。德軍計劃的基本內容是，以斯摩稜斯克-莫斯科這條線在中央做為基準線兵分兩路進行鉗形包圍，兩軍將在蘇聯紅軍後方約八十英里的維亞茲馬會合。
根據計劃，德軍第2裝甲叢集在布良斯克方向，第3、第4裝甲叢集1在維亞濟馬方向，相繼開始了進攻。儘管蘇聯紅軍進行了頑強抵抗，德軍仍然突破了防禦。裝甲先鋒古德裡安於1941年9月下旬奪取布良斯克，並在10月3日攻佔了奧廖爾。沿著奧廖爾-圖拉的公路推進。德軍10月7日則進抵維亞濟馬地域，西方面軍和預備隊方面軍大部分軍隊在此陷入合圍，並在13日被德軍所消滅。23日，蘇聯紅軍布良斯克集團大部被殲。德軍在維亞濟馬—布良斯克戰役中俘虜蘇聯紅軍58萬人。蘇軍只有85000人突出德軍防線。
在這之後，莫扎伊斯克防禦線成了莫斯科接近地上的主要抵抗地區，蘇聯最高統帥部採取了各種緊急措施來保衛首都。10月9日，重新編成的第5集團軍在此駐防。為了改進軍隊指揮，1941年10月17日，西方面軍和預備隊方面軍合編為新的西方面軍，朱可夫大將任司令員。同日，根據朱可夫的建議，在西北方向上掩護莫斯科的西方面軍右翼部隊第22，29，30，31集團軍組建為加里寧方面軍，由科涅夫上將出任司令員。
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隨後，朱可夫著手在沃洛科拉姆斯克——莫扎伊斯克——小雅羅斯拉韋茨——卡盧加一線建立新的防線，並組建第二梯隊和方面軍預備隊。莫斯科市民也被動員起來。在3天之內，組織了25個工人營，12萬人的民兵師，169個巷戰小組，發動60萬人圍繞莫斯科城修築起三道防禦工事，其中婦女的數量佔了四分之三。到10月末，僅婦女兒童就構築了700公里反坦克塹壕，挖掘了300多萬立方米的泥土，修築了3800餘個臨時和固定火力點。
10月中-11月初，在莫扎伊斯克防禦地區展開的多次激烈戰鬥中，蘇聯紅軍對德軍優勢兵力進行了頑強抵抗，將其阻止於拉馬河、魯扎河、納拉河等地區。1941年10月23日，葉廖緬科上將指揮的布良斯克方面軍剩餘部隊突出重圍，但古德裡安的坦克集團依然緊追不捨，並於29*近莫斯科左翼重要軍工城市——圖拉。由於第50集團軍的紅軍戰士和圖拉民兵的堅守，德軍始終無法突破圖拉防線，遲滯了德軍的進攻節奏。
11月初，莫斯科蘇聯紅軍又得到了10萬人，300輛坦克，2000門火炮的補充。1941年11月7日十月革命24週年閱兵式。當時納粹德國軍隊已經到達，為了提升國民及軍隊的士氣，斯大林在命令在1941年11月7日在紅場舉行閱兵典禮並發表著名演說，他說道：“我們的國家正在遭到入侵，全體蘇維埃公民和軍隊都要不息用盡每一滴鮮血來保衛蘇維埃土地和村莊”。當天蘇聯所有廣播站都播放了這次演講。而原本是在11月7日10點準時閱兵，但在後來提前至1941年11月7日的8點10分。這一次閱兵是有巨大意義的，蘇聯向全世界表明了戰鬥到底的決心。蘇軍隊伍在克里姆林宮前檢閱，然後直接開赴前線。蘇聯紅軍以預備隊和補充兵員加強了西方面軍。布良斯克方面軍撤銷。各方面軍受領命令扼守所佔領的地區，阻止德軍從西北和西南迂迴莫斯科。
11月13日，德陸軍總參謀長哈德爾在中央集團軍群總部召開了各軍團參謀長會議，下達了“1941年秋季攻勢命令”。中央集團軍群為此共集中了51個師。蘇聯紅軍經過11月底-12月初的頑強防禦和多次反突擊，德軍突向莫斯科的最後企圖破產了。蘇聯紅軍雖然經常處在危急狀態，但終於堅持下來並消耗了德軍。僅1941年11月16日到12月5日這段時間內，德軍在莫斯科附近就死傷15.5萬餘人，損失坦克約800輛、火炮300門、飛機近1500架。
而當年莫斯科的冬天，就算以俄國人的標準來看都異常地嚴寒。德軍因戰線過長，補給不足，戰役中消耗過大，既沒有設防禦陣地和戰役預備隊，又無在冬季條件下作戰的準備。11月上旬入冬，雖然道路能夠使用，但德軍的冬季裝備不足，由於認為在入冬前就能結束戰事。保暖衣服和白色偽裝服都不足，坦克和其它車輛都因為低溫而不能動彈。對莫斯科的蘇聯紅軍而言，情形則恰好相反。來自西伯利亞的蘇聯紅軍早已習慣了寒帶生活，有著足夠的冬季作戰裝備，他們的槍炮套上了保暖套，塗上了防凍潤滑油；有足夠的棉衣、皮靴和護耳冬帽用來防寒。到了1941年11月29日，德軍已成強弩之末，在各個方向上的進攻都已被遏制。此時朱可夫要求斯大林將預備隊第10集團軍，第20集團軍和第1突擊集團軍轉隸給西方面軍。此時，蘇軍的實力是，總兵力110萬人，7652門火炮，774輛坦克，1000餘架飛機。德軍共有170萬人，13500門火炮，1170輛坦克，615架飛機。雖然德軍兵力要多於蘇軍，但由於其戰線過長，兵力分散，戰線並不穩固。
1941年11月29日，朱可夫致電斯大林下達反擊命令，當晚，斯大林下達反突擊的命令。1941年12月5日，加里寧方面軍的第30集團軍首先轉入反攻，此時德軍進攻能力顯然已經衰竭。德軍裝甲叢集側翼遭到強烈打擊，進攻的蘇聯紅軍迫使他們向克林方向撤退。1941年12月6日，西方面軍在南北兩個方向上對德軍發動反擊，德軍部隊在氣候和蘇軍的雙重夾擊下，被從莫斯科附近擊退。12月6日晚上，在圖拉的古德裡安部決定退回原來的防線。現在，奪取莫斯科已經成了一種奢望，最終希特勒不得不簽署了在蘇德戰場全線包括莫斯科方向轉入防禦的訓令。
隨後，蘇聯紅軍展開了更大規模的反攻，12月9日，蘇聯紅軍解放了羅加切沃，11日解放了伊斯特拉，12日解放了索爾涅奇諾戈爾斯克，15日解放了克林，16日解放了加里寧，20日解放了沃洛科拉姆斯克。1942年1月7日蘇聯紅軍重奪了莫斯科以北的加里寧。1月初，西部戰略方向的反攻乃告完成。精疲力竭的德軍已經撤退到100至250公里外。德軍38個師，內15個坦克師和摩托化師遭重創。進攻莫斯科的突擊集團被擊潰，使德軍驚慌失措。
1942年4月，進攻莫斯科的德軍傷亡人數達50萬人，被蘇聯紅軍趕到了距離莫斯科100乃至350公里以外的地帶。而蘇聯付出了傷亡和被俘70多萬人的慘重代價，卻取得了莫斯科保衛戰的最後勝利。（未完待續）