红军在12月初共投入了58个师的预备队，但是，虽然有这些新锐师团参战，参与反攻行动的苏军总数只有1,100,000人，才比德意志国防军多出一少部份。不过，由于小心部署，在一些重要据点上却达到2对1的优势。1941年12月5日，反攻由加里宁方面军展开，经过2天的些微进展后，苏军收复卡拉斯拉雅波利亚纳及莫斯科附近地区的数个其它城市。

　　同日，希特勒签署第39号训令，命令德意志国防军在整条战线上转入防御。但是，由于德军未能在现有位置上建立有效的防御及需后退以重整其战线，古德里安写道他与汉斯·舒密特及沃尔弗拉姆·冯·里希特霍芬在同日进行了讨论，并一致认为现时的战线不能坚守。12月14日，弗朗茨·哈尔德及京特·冯·克鲁格最终在没有希特勒的批准下同意向西面的奥卡河作有限度的撤退。1941年12月20日，在与德军高级指挥官的会面期间，希特勒撤销撤退令并命令其士兵坚守每1吋土地，如果有需要则挖掘壕沟以掩藏榴弹炮。古德里安表示反对，指出这样做由寒冷带来的损失实际上比战斗中的损失更多，运送的冬季装备行动在波兰因交通问题而不得不停了下来。相反的，希特勒坚持坚守现时的战线，古德里安在圣诞节当日被解除职务，同时被免职的还有第4装甲军团及第9军团司令埃里希·赫普纳及阿道夫·斯特劳斯，费多尔·冯·博克亦被解任，官方的理由是健康原因。希特勒的总司令瓦尔特·冯·布劳希奇，亦在早前的1941年12月19日被免职。

　　与此同时，苏联的攻势持续；在北面，克林及加里宁分别在12月15日及12月16日被解放，而加里宁方面军则继续向西推进，苏联的前线军指挥官伊万·科涅夫试图包围德国中央集团军，但在热泽夫遇到顽强抵抗并被迫停止前进，从而形成了一个突出部直至1943年；在南面，攻势则比较畅顺，西南方面军在1941年12月16日为图拉解围。

　　德国空军实施增援，希特勒认为这是唯一拯救战况的希望。2个整编中的轰炸大队(第2航空队的第4及第30轰炸大队)从德国飞抵前线，同时4个运输大队得到了由第4航空队派来的102架Ju 52运输机，这将用以撤出德国陆军单位及改善对前线部队的补给，这是最后的努力并取得了成效，德国空军部队的帮助阻止了中央集团军的溃败。

　　虽说德国空军尽了最大努力，但苏联的空中优势对红军在莫斯科的胜利作出了莫大的贡献。从12月17日至12月22日，德国空军在图拉附近击毁了299辆摩托车及23辆坦克，阻碍了红军对德军的追击。但是在中路，进展则迟缓得多，苏军只是分别在12月26日、28日及在反攻开始后的10天内于12月26日解放纳罗-福明斯克、12月28日解放加里宁、1月2日解放小雅罗斯拉夫韦茨。苏军的预备部队人数的下降导致反攻在1942年1月7日停止。反攻令筋疲力竭及冻伤的德军从莫斯科后退了100至250 公里(60至150 英哩)，这次胜利极大地提高了苏军的士气且是德意志国防军的首次战败，由于未能在1次快速打击中征服苏联，德国现在必需准备长期战争，巴巴罗萨行动已经宣告失败。

　　苏联红军的冬季攻势将德意志国防军从莫斯科击退，但由于战争的前线仍然非常接近莫斯科，该城仍然受到威胁。因此，斯大林仍然十分重视莫斯科方向的防御，德军在初期的成功令他受到了极大的震撼。特别是苏军最初的攻势未能消灭由中央集团军之数个师防守的热泽夫突出部。在莫斯科反攻之后不久，苏军实施一系列战役(热泽夫战役)以尝试消灭该突出部，双方在每一刻均付出巨大的代价。苏军估计损失500,000至1,000,000人，而德军估计损失300,000至450,000人。