莫扎伊斯克防御线成了莫斯科接近地上的主要抵抗地区。4个集团军总共只有9万人左右。这些兵力不足以在整个地带建立坚固防御。为了改进军队指挥，西方面军和预备队方面军于10月10日合编为西方面军，朱可夫大将任司令。10月月中-11月初，在莫扎伊斯克防御地区展开的多次激烈战斗中，苏军对德军优势兵力进行了顽强抵抗，将其阻止于拉马河、鲁扎河、纳拉河等地区。
10月14日，德军突入了加里宁地域。10月17日，以西方面军右翼(第22、第29、第30、第31集团军)为基础组成了加里宁方面军(司令为科涅夫上将)。德军想从加里宁向东南发展进攻并前出西北方面军和西方面军后方的企图被粉碎。
德军虽然对维亚兹马—布良斯克战役中消灭了大量的苏军有生力量，但随着天气的变冷秋雨把道路变成泥沼，几乎瘫痪了德军的进攻。德军于是被迫全线停止前进，以待大地封冻。德军暂时的停进使苏军赢得了宝贵的喘息时间。到10月底，苏军最高统帅部开始抽回一些部队作为预备队，使其得到必要的休息，新的预备队也在源源不断地赶到。10月末，前线如下：加里宁-库宾卡-谢尔普霍夫-阿列克辛-图拉。德军虽遭重大损失，但仍增调兵力，变更部署，企图在冬季到来以前合围并占领莫斯科。
莫斯科成为德军的空袭目标。莫斯科防空部队同空中德军空军作了顽强斗争，10月间，德军对莫斯科进行了31次空袭，共有2000架飞机参加，其中278架被击落，只有72架闯入莫斯科上空。
军队和劳动者在莫斯科近接近地构筑新防御地区，为构筑防御工事动员了45万首都居民，其中75％为妇女。莫斯科疏散许多政府机关和最重要的企业；10月20日，国防委员会在莫斯科及其附近地域实行戒严。当局命令居民在街道筑起防御工事，连克里姆林宫附近都不例外，组建新的民兵师，使全城做好巷战准备。苏联政府向东撤退到古比雪夫(现在的萨玛拉)，但斯大林仍然留在莫斯科。为了提升国民及军队的士气，斯大林命令在11月7日于红场举行纪念十月革命的阅兵式。队伍在克里姆林宫前检阅，然后直接开赴前线。苏军以预备队和补充兵员加强了西方面军。11月10日，布良斯克方面军撤销。各方面军受领命令扼守所占领的地区，阻止德军从西北和西南迂回莫斯科。
11月15日-18日，德军经过调整和补充后，向莫斯科重新发起进攻。德军在加里宁沿克林、罗加切沃方向和图拉方向分别实施主要突击企图从北面和南面迂回莫斯科。11月底-12月初，德军付出了巨大损失的代价，前出到莫斯科运河。12月4日加里宁沦陷。12月5日莫斯科以南165公里的小镇图拉被局部包围。德军遇到苏军顽强抵抗。莫斯科附近的战斗变得越来越激烈。苏军派了无数新兵和自愿者，甚至一个妇女营投入到德军的机枪炮火中。首都保卫者的口号是“俄罗斯虽大，但已无处可退，后面就是莫斯科！”苏军经过11月底-12月初的顽强防御和多次反突击，德军突向莫斯科的最后企图破产了。苏军虽然经常处在危急状态，但终于坚持下来并消耗了德军。仅11月16日-12月5日，德军在莫斯科附近就死伤15.5万余人，损失坦克约800辆、火炮300门、飞机近1500架。
1941年-1942年的冬季就算以俄国人的标准来看都异常地严寒。德军因战线过长，补给不足，战役中消耗过大，没有既设防御阵地和战役预备队，又无在冬季条件下作战的准备。11月上旬入冬，虽然道路能够使用，但德军的冬季装备不足，由于认为在入冬前就能结束战事。保暖衣服和白色伪装服都不足，坦克和其它车辆都因为低温而不能动弹。德军士气严重受挫。而苏军则士气高涨。
苏军转入反攻并粉碎莫斯科城下德军的条件已经具备。斯大林任命华西列夫斯基中将担任代理总参谋长，并命令他立即拟定反攻作战计划。苏军反攻的指导思想是，同时粉碎德军“中央”集团军群分别从北面和南面威胁莫斯科的最危险的突击集团。反攻的基本任务赋予了西方面军。加里宁方面军和西南方面军分别在其北面和南面实施突击。
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