Битва під Москвою включає два періоди: оборонний (30 вересня - 5 грудня 1941 р.) і наступальний (5 грудня 1941 р. - 20 квітня 1942 р.).

У першому з них Червона Армія провела Московську стратегічну оборонну операцію і в другому - дві стратегічні наступальні операції: Московську (5 грудня 1941 р. - 7 січня 1942 р.) і Ржевсько-вяземськую (8 січня - 20 квітня 1942 р.). Поза рамками останньою була проведена Болховськая фронтова наступальна операція Брянського фронту (8 січня - 20 квітня 1942 р.).

Наступ ворога застав радянські війська зненацька. Вони не змогли надати належної протидії супротивникові, який прорвав оборону і, розвиваючи настання, 7 жовтня замкнув кільце навколо військ, що билися на захід від Вязьми, а ще через день - в районі Брянська. У оточення потрапило 7 польових управлінь армій з 15, 64 дивізії з 95, 11 танкових бригад з 13, 50 артилерійських полків резерву Верховного Головнокомандування (РВГК) з 62. У стратегічній обороні утворився пролом шириною близько 500 км. Закрити його було майже нічим. Резервів в районі Москви не опинилося. В результаті майже всі шляхи до Москви виявилися відкритими.

Ведення оборонних битв на підступах до Москви було пов'язане з великими людськими втратами. Вермахт втратив більше 145 тис. солдатів і офіцерів, Червона Армія - понад 658 тис. чоловік. Але, не дивлячись на крупну поразку, радянські війська не дозволили ворогові захопити або оточити Москву. Велику роль в цьому зіграла активна боротьба військ в оточенні, що сковували протягом майже трьох тижнів від 26 до 48 дивізій супротивника. За цей час Ставка Верховного Головнокомандування (ВГК) зуміла підтягти резерви і провести перегруповування військ, закрити в обороні пролом, підсилити Західний фронт і створити новий - Калінінський фронт.

20 жовтня Державний Комітет Оборони ввів в Москві і прилеглих районах облогове положення. 7 листопада 1941 р. в Москві був проведений історичний військовий парад на Червоній площі. З 15 листопада німецькі війська провели другий напад на Москву. Протягом 20 днів вони просунулися на 80-110 км., але до 5 грудня в їх русі вперед наступила криза. Радянські війська зуміли зупинити могутнє вороже угрупування буквально у стін столиці (у 12 км. від сучасної межі на північ від міста), приборкавши ворожий «Тайфун». Збільшена сила опору радянських військ, боротьба партизан в тилу ворога, самовідданість москвичів, допомога всієї країни зіграли вирішальну роль в зриві планів ворога. Льотчики зробили в ході оборонних битв 51 тис. вильотів і вперше у війні завоювали оперативну перевагу в повітрі. Величезну роль зіграли резерви, підготовлені Ставкою ВГК, - 75 нових розрахункових дивізій і понад те 24 розрахункових дивізії були зосереджені в районах Рязані, Ногинська і Ряжська. По суті це було нове стратегічне угрупування, яке перевищило склад радянських військ, що почали оборонні битви під Москвою, і забезпечило передумови для переходу Червоної Армії в контрнаступ під Москвою. Задум радянського командування полягав в тому щоб ударами Західного фронту у взаємодії з фронтами Калінінським і Південно-західним розгромити головні угрупування ворога, що діяли північніше і на південь від Москви.

Рішення наступати на того, що володів чисельною перевагою супротивника, не чекаючи підходу резервів, було ухвалене Ставкою ВГК за пропозицією генерала армії Г.К.Жукова, який уловив наближення кризи в настанні супротивника, коли ворог зупинився, але ще не встиг перейти до оборони і побудувати оборонні позиції. 5-6 груднярадянські війська перейшли в контрнаступ. Не дивлячись на наполегливий опір ворога, морози і глибокий сніг, контрнаступ розвивався в цілому успішно. На північний захід від Москви армії фронтів Калінінського і Західного нанесли значну утрату 3-ою і 4-ою танковим групам і 9-ій армії супротивника. Вихід радянських військ до Ржеву створив загрозу групі армій «Центр» з півночі. На південний захід від Москви армії лівого крила Західного фронту завдали поразки 2-й танковій армії і частині сил 4-ої армії супротивника, зняли загрозу з Тули, звільнили Калугу. Південно-західний фронт, охопивши групу армій «Центр» з півдня, здійснив операцію по оточенню і ліквідації угрупування військ 2-ої німецької армії в районі Єльця. На початку січня контрнаступ завершився. Ворог був відкинутий на 100-250 км.

Особливе значення успіху Червоної Армії під Москвою додає те, що він здійснений при невигідному для тих, що наступали співвідношенні сил і засобів. Перемога була досягнута завдяки вдалому вибору моменту переходу в контрнаступ, раптовості удару для ворога і використанню додаткових сил. Для розвитку контрнаступу Ставка ВГК ввела: 26 стрілецьких і 8 кавалерійських дивізій, 10 стрілецьких бригад, 12 окремих лижних батальйонів і до 100 тис. чоловік маршового поповнення.

На західному напрямі планувалося розгромити найбільш сильне угрупування супротивника - війська групи армій «Центр». Калінінському і Західним фронтам належало завдати ударів по напрямах, що сходилися, на Вязьму з метою оточення і знищення Ржевсько-вяземського угрупування ворога, лівому крилу Північно-західного фронту - глибоко охопити його із заходу, а Брянському фронту - скути сили супротивника на орловському напрямі. Ці завдання були дуже великими і важливими, але вони не відповідали реальним можливостям військ. Так, не дивлячись на те, що по танках співвідношення стало в 1,3 рази, по особовому складу і авіації в 1,1 разу на користь фронтів Західного напряму, а по артилерії сили сторін зрівнялися, вирішальної переваги над супротивником не було. Недолік сил і засобів Ставка ВГК передбачала відшкодувати шляхом створення у фронтах і арміях ударних груп, переходу до артилерійського наступу.

8 січня почався завершуючий етап битви під Москвою. Того дня ударне угрупування фронту Калінінського прорвало ворожу оборону на захід від Ржева. На інший день війська 3-й і 4-й ударних армій розвернули настання в обхід Вязьми із заходу. Одночасно удари по ворогові нанесли і головні сили Західного фронту. До 1 лютого армії правого крила фронту Калінінського просунулися до 250 км. Одночасно армії центру фронту охопили із заходу війська супротивника в районі Оленіно і вишли в тил Ржевського угрупування.

Обстановка на фронті різко змінилася. Використовуючи резервні з'єднання, 180 тис. чоловік маршового поповнення, швидке створення нових оборонних рубежів, а також за рахунок скорочення в 1,4 разу протяжності лінії фронту, групі армій «Центр» вдалося значно підвищити свою потужність і зупинити просування Червоної Армії. Більш того, закривши дірки в своїй обороні під Ржевом і Юхновом, німецькі війська нанесли ряд контрударів, оточили під Ржевом частину 29-ої армії, відсікли від головних сил фронту невні сили в районі Вязьми.

Всі подальші спроби наступати результату не приносили. Фронти із-за великих втрат втратили свою невелику перевагу над супротивником. Гостра нестача боєприпасів, втрата авіацією панування в повітрі, гранична ізмотанность особового складу, весняне бездоріжжя, що почалося, примусили Ставку ВГК ухвалити рішення про перехід з 20 квітня до оборони. Військам, що діяли в районі Вязьми, було наказано виходити на з'єднання з головними силами, а остальним - закріпитися на займаних рубежах.

В результаті Ржевсько-вяземської наступальної операції радянські війська просунулися на 80-250 км., звільнили Московську, Тульську області ряд районів, Орловської і Смоленської областей Калінінськой. Проте в операція виявилася незавершеною: оточити, полонити і знищити Ржевсько-вяземське угрупування ворога не вдалося.

Під Москвою Німеччина втратила не тільки стратегічну ініціативу, але і програла свою «блискавичну війну» проти Радянського Союзу. Крах стратегії «бліцкрігу» поставив Третій рейх перед перспективою тривалої, затяжної війни. Плани і надії його керівництва на швидку перемогу були перекреслені. Військова машина ворога була серйозно приголомшена, моральний стан його солдатів і офіцерів значно підірваний. Перемога Червоної Армії поліпшила військово-політичне і міжнародне положення Радянського Союзу.

Престиж Німеччини в очах її союзників помітно впав. Це отрезвляюще подіяло на правлячі круги Японії і Туреччини, від яких Гітлер вимагав відкритого виступу проти СРСР. Перемога Червоної Армії під Москвою сприяла зміцненню антигітлерівської коаліції і ослабленню блоку фашистських держав, відкривши новий етап в розвитку визвольного руху народів Європи проти нацистського тиранення. Борці проти фашизму знайшли тверду упевненість в своїх прийдешніх перемогах, побачили в особі Червоної Армії силу, здатну не тільки зупинити «непереможного» агресора, але і розгромити його.