德国空军出动了一千两百架战斗轰炸机，对苏联红军的前线阵地和纵深的交通线进行了猛烈的空袭，掀开了莫斯科战役的序幕，紧接着，德国炮兵群开始了长达三个小时的炮火准备，一时间，地动山摇，声震云霄，长达数百公里的战线上到处是熊熊的烈火和浓浓的硝烟。

炮击向红军阵地纵深延伸之后，德国中央集团军群从西、南两个方向发起强攻，西路军的指挥官是古德里安，南路军指挥官是隆美尔。

开战之后的十天时间里，德军采用步兵正面强攻钳制和侧翼突击来牵制守军，机动性强的装甲部队则在强大的空军掩护下，进行大范围的迂回包抄，连续突破莫斯科外围的两道防线，逼近莫斯科近郊，保衞莫斯科外围工事的七十多万军队大部分遭到德军的合围，只有不到十万人突围而出，进入莫斯科市区。

6月18日，隆美尔率领的第二坦克集团军占领图拉之后，立即马不停蹄地向莫斯科南部郊区进军。隆美尔根据自己在非洲的城市攻坚战中获得经验，首先投入三个步兵师先行突破，而后投入坦克师扩大战果，从而避免了密集坦克编队来在突击苏军纵深防御体系时的大量伤亡。

由于第一次莫斯科战役当中，德军装甲部队指挥官采用的战术与隆美尔截然不同，故而守军仍然按照以前的经验在一线阵地部署了大量的反坦克武器，结果被隆美尔打得措手不及，在两天之内就突入市区两公里，斯大林连续投入了五个步兵师和三个民兵师才将德军击退了数百米，暂时遏制住德军的攻势。

隆美尔当即改变战术，把坦克分成小队，在步兵战斗小组的配合下进行大胆的穿插，同时请求空军全力支援地面战斗。

德军的攻势越来越猛，而苏联红军的反击也越来越强烈，苦苦坚守着城中的每一条大街、每一条小巷、每一栋楼房、甚至每一堵废墟，迫使德军只能一寸一寸向前推进，攻击部队往往上去半天就伤亡过半，只好不断轮换；苏联统帅部在激烈战斗的同时组建新的民兵师，工人和市民们从军官手中接过冲锋枪和弹匣就开往前线，连最基本的射击训练都没有时间完成，这些部队完全是依靠满腔的爱国热情来战斗，所以伤亡特别大，一个师能生还一千人已经是万幸！

在国家面临生死存亡的关键时刻，苏联军民表现出忘我的牺牲精神，义无反顾地投入保衞莫斯科的战斗当中，用自己的热血和生命来阻挡德军前进的步伐——二十天的战斗之后，被德军歼灭的苏联军队总数已经达到八十万，按照德军战前掌握的情报，城内最多还有六十万守军，但是实际上，莫斯科城内却依然有近百万军队在继续战斗，其中的绝大多数都是在战火中磨练出来的民兵师！

6月25日，古德里安的西路军也推进到莫斯科西郊，守军的压力顿时倍增，苏联统帅部只得投入了全部的预备队，并把苏联中东部地区临时征召的民兵师通过铁路源源不断地输送到这个巨大的绞肉机裏面。

曼施坦因元帅没有被苏联军队的激烈抵抗和攻击部队的巨大牺牲所吓倒，毫不犹豫地连续投入预备队，始终对守军保持着巨大的压力。

7月15日，经过二十多天的激烈巷战之后，拥有兵力和火力优势，以质量取胜的德国军队终于将守军全部赶出了莫斯科市区，赢得了莫斯科战役的胜利。此战，德军共损失了四十五万军队，八百余辆坦克，火炮三千余门，飞机四百余架；苏军共损失了一百万军队，五百辆坦克，火炮四千余门，飞机三百余架。

希特勒认为，占领了苏联首都莫斯科，不但意味着在政治上和经济上的决定性胜利，而且使苏联丧失了最重要的铁路枢纽，这样一来，苏联红军就失去了继续战斗基础，只有接受投降的命运。然而，出乎希特勒和德国统帅部预料的是，苏联军队并没有投降，而是在第聂伯河和北德维纳河东岸建立了防御阵地，摆出一副持久战斗的架势！