На третьей стадии «Барбароссы», которая происходила в конце августа и в сентябре, группа армий «Север» осадила, но не сумела взять Ленинград, в то время как группы армий «Центр» и «Юг» совместно атаковали и окружили основные силы Юго-Западного фронта Красной Армии, державшего оборону в Киевской области. В ходе этого сражения войска вермахта окружили и уничтожили в Киеве и к востоку от него 5-ю, 21-ю, 26-ю и 37-ю армии Юго-Западного фронта, доведя общий «улов» ликвидированных на Украине советских войск до страшной цифры свыше 1 миллиона человек.
В начале октября вермахт начал четвертую стадию операции «Барбаросса» - наступление на Москву (операция «Тайфун»). В то время как группы армий «Север» и «Юг» продолжали свои наступления на Ленинград на севере и на Харьков и Донбасс на юге, группа армий «Центр» развернула согласованное наступление для захвата Москвы. Оно возглавлялось тремя из четырех танковых групп вермахта. Немецкие войска прорвали оборону Красной Армии, наголову разбив Западный, Резервный и Брянский фронты Красной Армии, и быстро окружили и уничтожили 16-ю, 19-ю, 20-ю, 24-ю и 32-ю армии вокруг Вязьмы и 50-ю, 3-ю, и 13-ю армии к северу и к югу от Брянска. После короткой задержки, вызванной ухудшающейся погодой и резко возрастающим сопротивлением Красной Армии, операция «Тайфун» достигла в середине ноября своей кульминации, когда группа армий «Центр» попыталась взять обороняющие Москву войска Красной Армии в клещи одновременными ударами танковых войск с севера и юга.
Однако в начале декабря общее ослабляющее воздействие времени, пространства, истощения сил, отчаянного сопротивления Красной Армии и просто военных неудач не позволило вермахту триумфально завершить шестимесячную кампанию, состоявшую из почти непрерывных побед. Ослабленный многими месяцами тяжелых боев на театре военных действий, которого он никогда по-настоящему не понимал, хваленый вермахт в конце концов уступил нажиму своих многочисленных врагов-суровому климату, чуждой местности и ожесточенно сопротивляющемуся противнику. Заранее сосредоточив свои резервные армии, Ставка (советское Верховное Командование) в начале декабря остановила немецкий рывок к Москве, когда немцы уже могли разглядеть шпили кремлевских башен, и неожиданно начала собственное контрнаступление, которым нанесла беспрецедентное поражение гитлеровскому вермахту. Одновременно другие войска Красной Армии нанесли противнику ответные удары на севере и на юге. Наступления Красной Армии на Тихвин (восточнее Ленинграда) и на Ростов на юге отбросили немцев назад, лишив Гитлера победы на всех трех главных стратегических направлениях, ведущих вглубь Советского Союза.