随着上述措施的迅速落实和列宁格勒军民的誓死抵抗，德军的凌厉攻势开始受到遏制。在列宁格勒西南，苏军一面将新建的2个师和2个旅加强给第42集团军，以建立强大的第二梯队，占领列宁格勒外围从芬兰湾东南岸至涅瓦河一线的筑垒地域，增强主要防御方向的稳定性；一面利用德军第18集团军东部集群左翼战线过长、易受攻击的弱点，以第8集团军的4个步兵师组成突击集群，于9月19日从奥拉宁包姆登陆场东部向红村方向德军侧后实施反突击，迫使德军将乌里茨克、列宁格勒方向的部分兵力调往彼得戈夫方向，有力地配合了第42集团军粉碎德军从西南突入列宁格勒的企图。在列宁格勒南面，德军第18集团军东部集群右翼于9月18日通过苏军第42和第55集团军的接合部向普希金城发起进攻，企图由此向左迂回普尔科沃高地，向右迂回科尔皮诺筑垒地域，进而从南面突入列宁格勒。与此同时，德军于9月19日连续炮击列宁格勒达18小时之久，并出动轰炸机276架次，对该市进行6个波次的猛烈轰炸，企图以此摧毁列宁格勒军民的抗战决心。
然而，奋战在列宁格勒以南的苏军部队不畏强敌，终于将进攻之敌阻止在列宁格勒城下，挫败了德军紧缩包围圈的种种努力。在此期间，苏军驻蒙海峡群岛、汉科半岛和喀琅施塔得的守备部队与波罗的海舰队部分兵力，在远离己方主力的情况下孤军奋战，箝制了德军的有生力量，并以炮火支援列宁格勒地区的苏军粉碎德军进攻；苏军防空部队共击毁袭击列宁格勒的德军飞机300余架。从苏德战争爆发至9月底，在列宁格勒地区及其附近海域上空，苏军航空兵出动作战飞机约6万架次，同德芬两国飞机进行空中格斗，袭击德军机场和战役纵深，有力地支援了地面部队、海军舰艇的作战。
由于遭到苏军日益顽强的抵抗，德军北方集团军群每前进一步都要付出沉重的代价，每昼夜的平均推进速度从7月的5公里降至9月的1～2公里。此外，即将开始的莫斯科会战还使该集团军群丧失了主要突击力量。除第39装甲军外，德军第4装甲集群（辖第41和第56装甲军）和原第3装甲集群第57装甲军被陆续调离，其辖区分别由第18集团军和第16集团军第2军接管。稍后，德军第8航空军也转隶莫斯科方向的第2航空队。德军北方集团军群的突击力明显减弱，攻克列宁格勒的希望更加渺茫。
鉴于对列宁格勒的多次强攻均未得手，德军不得不转而采取以长期封锁为主、军事进攻为辅的方针。在这种极端恶化的条件下，列宁格勒军民同仇敌忾，宁死不屈，勇渡难关，在政府的统一领导下，他们一面加强对空防御和反炮击斗争，一面展开反围困斗争。
莫斯科会战
1941年9月30日和10月2日，德军中央集团军群先后发起布良斯克和维亚济马战役，莫斯科会战从此开始。这次会战按苏军的行动性质分为防御、反攻和总攻3个阶段。1941年9月30日至12月5日为苏军防御阶段，12月5日至1942年1月7日为苏军反攻阶段，1942年1月8日至4月20日为苏军总攻阶段。
战斗一开始就异常激烈和残酷。希特勒以为胜券在握，于10月7日命令中央集团军群总司令费·冯·博克元帅不准接受莫斯科投降，妄图把这个他恨之入骨的城市从地图上抹掉，而苏军利用筑好的多重纵深层次的防御体系，顽强地阻击敌人。
德军的进攻多次使莫斯科处于危急状态。但位于一线作战的德军指挥官们意识到，德军的进攻能力很快就要耗尽，因此，请求“撤退到一条较短的容易防守的战线，预先为驻扎、补给、防御做好充分准备，以便时机一到，就能在很短的时间里将其占领”。然而，德国陆军总司令部和希特勒都不同意冯·博克等人的意见。希特勒对撤退不予考虑，只是在冯·博克再三请求下，同意当代价高昂的攻势无望取胜时中止进攻。
为了缓解莫斯科西北的紧张局势，苏军最高统帅部大本营将突击第1集团军和第20集团军调归西方面军右翼，第16、第30集团军也得到加强，在红波利亚纳、克留科沃地域实施了反突击。到12月初，阻住了德军的进攻。在纳罗福明斯克方向，12月3日，德第4集团军遭到苏第5、第33集团军的反突击，被迫退至库宾卡以北、戈利齐诺和纳罗福明斯克以南阵地。12月5日，冯·博克命令第3、第4装甲集团军群与苏军脱离接触，并于随后几天撤到伊斯特拉至克林以东的防线，德军从西北和北面突入莫斯科的企图被粉碎。在图拉方向，12月5日，苏军第50集团军协同第49集团军左翼各兵团在科斯特罗沃、列维亚基诺地域实施反突击，恢复了图拉与莫斯科的联系。德军第2装甲集团军被迫向南退却，撤到顿河上游、夏特河、乌巴一线。德军对莫斯科的最后一次进攻彻底失败。至此，莫斯科会战苏军防御阶段结束。
1941年12月5～6日，苏军在加里宁、克林·索尔涅奇戈尔斯克、图拉和叶列茨等方向发动了具有历史意义的大反攻。至1942年1月初，苏军在西部战略方向的反攻全部结束。苏军解放1.1万多人的居民地，消除了图拉被合围的危险。进攻的苏军前出到勒热夫、拉马河、鲁扎河、博罗夫斯克、莫萨利斯克、别廖夫、韦尔霍维耶一线。德军38个师遭重创，进攻莫斯科的突击集团被击溃。德军后退100～250公里，从南北两面突击莫斯科的企图被彻底粉碎了。
5.苏军的冬季总攻
苏军在莫斯科的反攻，粉碎了德军夺取莫斯科的企图，并迫使德军后退100～250公里，苏军前出到勒热夫、拉马河、鲁扎河、博罗夫斯克、莫萨利斯克、别廖夫、韦尔霍维耶一线。苏军在莫萨利斯克—苏希尼奇、勒热夫—拉马河形成南北两个突出部，德军第4、第9集团军、第3、第4装甲集团军态势突出，很容易被苏军合围，切断退路。与此同时，苏军在季赫温和罗斯托夫的反攻也取得一定战果，德军季赫温集团被赶过沃尔霍夫河，列宁格勒同内地铁路交通以及拉多加湖的联系都得以恢复，其防御能力大大提高。南方面军诸部解放罗斯托夫，粉碎了德军向高加索突破的计划。在克里木，苏军发起了刻赤—费奥多西亚登陆战役，解放了刻赤半岛和费奥多西亚，迫使德军暂时中止对塞瓦斯托波尔的进攻。
从总的态势看，德军中央集团军群处于比较孤立的状态，易于苏军发展进攻，扩大战果。德军统帅部意识到了这种危险，1941年12月28日，发布关于组织防御的命令，要求各部队竭尽全力寸土必争。在冬季的主要任务是守住已占领的地区，以争取时间纠集新的预备队，为1942年春天重新发动进攻创造条件。为此，北方集团军群必须在沃尔霍夫河一线和沃尔霍夫车站通往西北的铁路线上设防固守，继续对列宁格勒实行围困。中央集团军群的任务是守住勒热夫、布良斯克、斯摩棱斯克构成的三角地带和勒热夫—维亚济马—布良斯克、斯摩棱斯克—格扎茨克两条十字形铁路交通线。南方集团军群的任务是坚守占领地区，攻下塞瓦斯托波尔。
斯大林深受苏军在莫斯科反攻中取得胜利的影响，他认为，德军在莫斯科失败后，正处于慌乱状态，未作冬季作战准备的德军将无法抵挡苏军的连续突击，只要突破德军防线，不给德军以喘息之机，就可以打破德军来年的春季进攻，并在列宁格勒、莫斯科以西地区、乌克兰和克里木击溃德军。因此，苏最高统帅部大本营确定的总攻计划是：在西方向实施主要突击，围歼德军中央集团军群的基本兵力；在西北方向粉碎德军北方集团军群；在西南方向击溃德军南方集团军群，解放顿巴斯和克里木。总攻时间预定在反攻之后不作间歇立即展开。
1942年1月7日，西方向各方面军司令部接到进攻训令，各方面军根据最高统帅部的训令拟定了具体计划：西方面军右翼的第1突击集团军、第20、第16集团军继续向瑟乔夫卡总方向进攻，并在加里宁方面军协同下，消灭德军瑟乔夫卡—勒热夫集团；中央的第5、第33集团军向莫扎伊斯克、格扎茨克总方向进攻；第43、第49和第50集团军向尤赫诺夫实施突击，粉碎德军尤赫诺夫—孔德罗沃集团，随后向维亚济马发展进攻；别洛夫的加强骑兵军向维亚济马地区挺进，同加里宁方面军的骑兵第11军会合，以便共同对德军维亚济马集团实施突击；第10集团军向基洛夫进攻，并掩护西方面军左翼。
加里宁方面军向瑟乔夫卡、维亚济马总方向进攻，并以部分兵力迂回勒热夫，其第22集团军应向别雷发展进攻。
西北方面军向两个不同的方向实施进攻，第3突击集团军向大卢基总方向进攻；第4突击集团军向托罗佩茨—韦利日进攻。
西南方面军右翼集团军和布良斯克方面军的任务是钳制正面之敌，不让其把部队调往中线和顿巴斯。
总攻以加里宁方面军（5个集团军、1个骑兵军）于1月8日实施瑟乔夫卡—维亚济马进攻战役开始。1月8日，加里宁方面军第39集团军突破德军在勒热夫以西的防御，继续向南部的瑟乔夫卡推进。第二天，西北方面军的左翼部队第3、第4突击集团军从奥斯塔什科夫发动进攻，遭到德军的顽强抵抗，在初期战斗中，没有多大进展。
至1月12日前，苏军第3、第4突击集团军突破德军防御战术地幅。1月16日，第4突击集团军夺取安德烈亚波尔市，l月21日，攻占托罗佩茨市，其先遣支队切断了大卢基—勒热夫铁路。第3突击集团军至l月22日前合围霍尔姆市德军，从南面迂回德军第16集团军杰米扬斯克集团。到1月底，第3、第4突击集团军已迫近大卢基、维捷布斯克和杰米多夫，德军中央集团军群面临被深远包围的危险。为便于指挥，斯大林将第3、第4突击集团军转给加里宁方面军。