空战使苏军航空兵受到了惊人的打击，很快苏军飞机的损失就上升到了1900架飞机（其中977架被毁于地面）。与此同时，德国空军也付出了不小的代价。德国空军损失了324架飞机，其中包23架JU-88中型轰炸机，36架JU-87俯冲轰炸机，21架HE-111中型轰炸机，16架DO-17中型轰炸机，54架BF-109战斗机，37架BF110战斗机，另有90架其它类似型的飞机受伤。同时，罗马尼亚空军也损失了114架飞机。尽管如此，与苏军相比，德军的损失是轻微的。更为重要的是，在反击开始后不久，德国空军就取得了完全的制空权，这为德国陆军的地面攻势带来极大的优势。

就在德国空军发起空中反击的同时，地面的德国陆军动用所有军属、师属榴弹炮、加农炮甚至空军的高射炮，对侵入德国境内的苏军实施猛烈的炮击，加上德国空军大批俯冲轰炸机的狂轰滥炸，苏军的阵地很快化为一片火海。随后在苏军漫长的战线上，强大的德军装甲部队发动了反攻。同时，一些德军伞兵也被空投到苏军阵线后方，他们和德军勃兰登堡第800团（一支身着苏军制服手持苏军武器的德军破坏部队，组成人员很多会说俄语或干脆就是白俄）一道在苏军当中制造混乱，占领德军必经的桥梁和切断苏军的通讯联络。

在炮击和轰炸之后，德军派出由狙击手和工兵组成的突击组，消灭苏军的步兵哨和观察哨。破坏苏军设置的障碍，为进攻部队开辟通道。紧跟突击组的是各兵种的侦察员和地形勘察员。在他们勘察地形、查明苏军阵地及障碍物配置后，呈梯次配置的德国装甲集群及配合其作战的集团军便从正面发动了强大的攻势。在只有几十公里宽的突破地段，整个德军装甲集群铺天盖地般的向苏军猛扑过来。

在反攻开始前，德军将领们对进攻方式进行过争论。以陆军总参谋长哈尔德上将为首的一些老派将领主张由步兵师发动第一波进攻，在突入敌人阵地后，再由装甲部队进行纵深突击，但德军装甲兵奇才古德里安却主张一开始就投入装甲部队。古德里安认为，首先，拥有几百辆坦克和大批摩托化步兵的装甲集群在强大炮兵、航空兵支援下的进攻威力要比步兵师大的多，这种威力能够确保德军迅速突入敌方纵深并实施穿插和包抄。而步兵的进攻，则很有可能会被敌方的顽强防御所阻止，导致装甲部队不能迅速进入突破口而贻误战机。当然用步兵进攻，也可以避免宝贵的坦克在突破敌方坚固阵地时遭受重大损失，从而保证装甲部队以完整的力量实施纵深突击。但在苏军主力部队未能及时转入防御的千载难逢的优越条件下，德国坦克部队完全可以靠轻微代价顺利突破对方阵地，而不必冒因为步兵进展缓慢，导致对方赢得防御时间的危险。为此，古德里安甚至一度主张干脆把炮火准备也取消，直接让坦克发动进攻，以最大程度获得奇袭的效果。最终，德军统帅部虽然同意由坦克部队首先进攻，却仍坚持进行必要的炮火准备。

在冲开苏军的防线之后。像在闪击法国时做的那样，德军将苏军溃兵交给后续的步兵部队去解决，装甲部队则绕开苏军坚守的防御阵地和工事，向纵深快速推进。

在德国坦克开进的方向上，那些本来在临时防御工事中抗击德军的苏联步兵师此时大多无法接到上级的命令，因为在德军伞兵和伪装部队的破坏下，苏军在许多地段的有线通信系统几乎全部瘫痪。由于没有撤退的命令不能后退（那可是要上军事法庭的），面临德军强大突击的苏军前线指挥官们只能冒险在德军不断的空袭和炮击下，顶着巨大的伤亡死守阵地。但苏军士兵们已经被不断呼啸而至的德国飞机和不知来自何方的猛烈炮火（德军侦察机不断校正着炮兵的射击）打得晕头转向，当他们突然遇上由大量摩托车，越野卡车。半履带装甲车伴随的德军坦克契形纵队时，根本无法进行有效的抵抗，在德军的猛烈反击下，苏军开始整队整队的溃散。

第一次世界大战时坦能堡会战的故事似乎在这裏以另一个版本得到了重演。

战争的头一个月对苏军来说意味着空前的灾难。德军在几乎所有的主攻方向都取得了重大的突破，西方、西北方两个方面军的侧翼受到了巨大的威胁，航空兵部队损失惨重。远在克里姆林宫里的斯大林虽然对这一灾难的规模无法做出准确的判断，但通过国防人民委员会获得的零星情报，他已经可以确信灾难是实实在在的降临了。虽然这位曾经历过无数风雨的“曹操”并没有像一些人想象的那样陷入惊慌失措之中，但战争的结果和他一开始想象的大相径庭，确实令斯大林极为震惊和愤怒。

斯大林大骂着朱可夫、库兹涅佐夫和巴甫洛夫，责备着总参谋部和其他方面军司令员，甚至威胁要砍掉某些人的脑袋。但斯大林同时也明白，光砍掉脑袋是不够的，他必须作出切实有效的反应。很快，无数命令被发了出去。斯大林在发布全国总动员令中要求所有1905至1908年出生的苏联公民都将被动员，一切国防、国家安全、社会秩序职能全部移交军事机关，军事当局有权调动劳动者和交通工具。

一通忙乱之后，斯大林终于得到了“好消息”，一些报告称德军的反攻已经被“击退”。斯大林又变得乐观起来。在这种新的乐观情绪的支配下，他以铁木辛哥元帅的名义发出了第3号命令，要求苏军各方面军应对德军实施猛烈的攻击。

第3号命令的具体规定，苏军在德国辖境地区的3个方面军（西北，西方，西南方面军）都应派出强大的机械化预备队迎头痛击正在反攻的德国军队。

为了打退这股敌人，库兹涅左夫决心调动下属的2个机械化军。当时他有坦克691辆，包括T-34坦克450辆。按照西北方面军的反击计划，机械化第12军应该在第8集团军步兵第10军配合下进攻德军左翼，而机械化第3军则应向德军右翼进攻。

西北方面军的计划在理论上是无可挑剔的，但实际情况却偏偏不买理论的帐。由于作战中的苏军无论是上级司令部与下属部队、还是各友邻部队之间都无法建立起有效的联系，对当面的敌情也几乎一无所知，这样反击无异于盲人跑瞎马。而在具体的措施上，苏军又完全没有按照集中兵力的原则来行事。参战的2个机械化军，机械化第12军的下属的2个坦克师中的坦克23师被交给步兵第10军指挥，未能配合该军坦克第28师的行动，这一奇怪部署的原因连苏联人自己在战后都说不清楚；而机械化第3军也只出动了一个坦克第2师，另一个师即坦克第5师则与德军第3装甲集群的部队发生了战斗，未能参加军主力的反击。

由于苏军用于对第4装甲集群反击的坦克机械化部队虽然有3个坦克师。但由于彼此并无战术协同甚至连起码的联系都没有，因而根本形不成突击力量。而且由于准备时间过于仓促（不到一夜），同时由于缺乏运输车辆，各部队都未能得到足够的弹药和油料，在即将进行的战斗中，他们也很难指望得到补充。这不仅是西北方面军，也是整个西部地区苏军机械化部队所共同面临的巨大困难。苏军坦克部队应有的巨大威力因此难以发挥。