越来越强的苏军部队。到12月12日，该师顺利地撤到姆岑斯克并在那里集结，但损失了大量的装备。德国12月11日对美国宣战一事对土兵的影响甚微，因为他们关心的都是自己的生存问题。
在土拉地区，第2装甲集团军的阵地己被突破，苏军进展神速，其空军也非常活跃。第1近卫骑兵军为先头部队，博尔金的第50集团军和戈利科夫的第10集团军随后跟进，后来罗科索夫斯基的第16集团军、扎哈尔金的第49集团军和叶夫列莫夫的第33集团军也加入了他们西进的行列。苏军在圣诞节拿下了佩列梅什利，12月30日又收复了卡卢加，第1近卫骑兵军继续向尤赫诺夫猛插（尤赫诺夫距维亚兹马不到七十英里），沿路将德军伤员和掉队士兵杀个精光。然而到新年时，苏军部队开始抱怨严寒对作战的影响以及补给上的巨大困难。德军的据点，特别是沿主要铁路线的据点，也使苏军大伤脑筋。然而，总的来说，苏军最高统帅部认为，从土拉地区出发的左路军的进展是非常令人满意的，于是它命令库罗奇金的西北方面军开始在右翼从奥斯塔什科夫向维切布斯克进行大纵深的迂回包围，这是右路军外侧部队向德军纵深二百余英里的后方穿插。此举既是为了支援科涅夫的加里宁方面军，也是为了支援朱可夫西方方面军的右翼。
1月9日，普尔卡耶夫的第3突击集团军和叶廖缅科的第4突击集团军（这两个集团军均属西北方面军），开始从奥斯塔什科夫湖区发起攻势，但在打下皮诺之前，一直无大进展。攻克皮诺之后，第3突击集团军向霍耳姆和维利基卢基方向运动，而叶廖缅科则向西南维切布斯克进军。这一带森林茂密，道路稀少，由于各集团军分路而行，他们与左面的沃斯特卢霍夫的第22集团军之间出现了很大的缺口。指挥和补给变得困难了。尽管如此，他们还是在1月15日到达了安德列波耳，到1月底时，苏军部队已接近维利基卢基、维切布斯克和迭米多夫，完成了将近二百英里的进军任务，沿途大都未遇到抵抗，只是地形难以通行。北方集团军群作战地域内的霍耳姆，由于德第281保安师拼死防守，没有被攻克。当时苏军右路军外侧的部队已运动到指定地点，但左右两路军在迭米多夫与斯帕斯…杰缅斯克之间还有一百多英里宽的缺口。
与此同时，德军战地高级指挥官又有一些削弱。指挥第9集团军的施特劳斯生了病，1月中旬，第41装甲军军长莫德尔接替他指挥。新任命的第4集团军司令屈布勒感到他不胜任此职并向希特勒作了报告，结果于1月20日第43军军长海因里希接替了他的职务。1月8日，苏军似乎要在苏希尼契附近突破，克鲁格向哈尔德请求取消原地坚守的命令，并请求给他作为集团军群司令应有的行动自由，由他根据情况调动部队。哈尔德只能将此事呈报元首处理，但其后得知第4装甲集团军司令赫普纳未经请示元首，已自作主张开始撤退，企图避开敌人的包围。结果赫普纳被立即撤职，起初希特勒想把他削为平民，但更为明智的意见占了上风，赫普纳继续享受全薪和退休金。赫普纳由第5军军长鲁奥夫接替。
与此同时，在苏军钳形包围地区的中心，由弗拉索夫指挥的特别加强的第20集团军，在库兹涅佐夫的第1突击集团军和第2近卫骑兵军配合下，于1月13日在沃洛科拉姆斯克附近突破，向东运动。马斯连尼科夫第39集团军和什韦佐夫的第29集团军，在第22集团军配合下所有这些集团军都是右路军内侧科涅夫的部队终于到达尔热夫地区。到1月底，德军处境危急。德军远远没有守住希特勒原先指定的防线，克鲁格的中央集团军群的部队撤向西南，被敌人赶出一百至一百五十英里。莫德尔的第9集团军和鲁奥夫的第4装甲集团军深陷在几乎已经被封闭的包围圈内。海因里希指挥的第4集团军正守着包围困的缺口，不让苏军封闭，试图迟滞敌左路军从南面慢慢封闭包围圈的行动。由鲁道夫·施密特指挥的第2装甲集团军及第2集团军已逃出合围到了南面的奥廖尔地区。苏军最高统帅部试图以空降兵和游击队来封闭包围圈的缺口。苏军第8和第201空降旅以及第4空降军的一些部队，共计大约四千人空降到维亚兹马的东南和西南方向，其任务是切断维亚兹马…斯摩棱斯克铁路，扎上口袋嘴。在包围圈缺口南面的苏希尼契，大约有四千名德军奉元首之命留在那里，由于在1月3日已被切断与外界的联系，不得不靠空运进行补给。附近，在尤赫诺夫的一些师有被包围的危险。尤赫诺夫…罗斯拉夫尔公路已被切断，斯摩棱斯克…维亚兹马公路和铁路受到威胁，而这些道路是德军第9集团军和第3、第4装甲集团军的主要补给线。罗科索夫斯基的第16和波波夫的第61集团军正在进一步向南挺进，逼向布良斯克和奥廖尔之间的第2装甲集团军，威胁罗斯拉夫尔…布良斯克…奥廖尔铁路。这条铁路是沟通第2装甲集团军和第9集团军的交通线。
在1月的第一周，叶夫列莫夫的第33集团军已开始在美登地区第4装甲集团军和第4集团军之间打进了一个楔子，赫普纳因下令撤退避开敌人的包围而被撤职。他的继任人鲁奥夫也未能守住防线，1月13日，希特勒被迫同意既成事实。与此同时，苏第1近卫骑兵军和叶夫列莫夫的第33集团军的一些部队已成功地将北面的德军第4装甲集团军和南面的第4集团军分割开来，并在维亚兹马以南插进了口袋嘴，而游击队与空降部队即将在那里与他们会合。对德军的另一个威胁来自“口袋”的北部，这里，什韦佐夫的第29和马斯连尼科夫的第39集团军，在第11骑兵军配合下，己从尔热夫出已，径直通过第9集团军和第4装甲集团军的后方向南和西南方的维亚兹马和亚尔策沃迅速推进。看来德军已危如一发千钧，因为这个口袋的嘴已近于封闭，被包围的部队正在遭到苏军的围歼。
然而在2月中旬，整个局势突然又起了很大变化。1月31日，苏军最高统帅部过早地将V·I·库兹涅佐夫的第1突击集团军和罗科索夫斯基的第16集团军从莫斯科以西地区撤走去增援南北两翼，致使正试图从东往西平推口袋中的苏军的弗拉索夫的第20集团军的攻势逐渐失去了锐势。这就减轻了第4装甲集团军和第9集团军东面的压力，这两个集团军都在口袋之中。正在与空降部队和游击队一起试图封闭尤赫诺夫和维亚兹马之间缺口的叶夫列莫夫的第33集团军和第1近卫骑兵军突然遭到了鲁奥夫的第4装甲集团军的猛烈反击。第4装甲集团军与第4集团军于9月3日在包围圈外恢复了联系，并切断了苏军部队与后方的联系。2月5日，莫德尔的德军第9集团军与奥列尼诺和尔热夫附近被围的德军一起从东西两面向什韦佐夫指挥的正在包围他们的苏军第29集团军发起进攻，切断了它与友邻部队的联系，反过来又包围了它，并将它歼灭。据说第29集团军只有五千名幸存者逃向南方，并入苏军第11骑兵军和第39集团军，当时这两支部队也险些被包围。希特勒此刻出于无奈，只好同意全线撤退到冬季防线，将赖因哈特的第3装甲集团军和第9集团军之一部从包围圈中撤到维切布斯克和斯摩棱斯克，在纵深充当预备队。第3装甲集团军不久就顶住了敌人对维切布斯克和迭米多夫的进攻，而且没有费多大气力，因为叶廖缅科的第4突击集团军当时在补给上发生很大困难，运动极为缓慢，意图极不明确。德军从斯摩棱斯克向东北猛插的一个师到达了别累伊并将苏第39和第22两集团军分割开来。在苏希尼契被围的德守军与戈斯拉尔军乐队已于1月25日被解救出来。
然而，战役的关键是在口袋嘴上，即维亚兹马地区。2月1日，朱可夫担任了西战区司令员兼西方方面军司令员，该新战区包括西方方面军、加里宁方面军和布良斯克方面军。此时，苏军已十分虚弱，既无力封闭包围圈，也无力歼灭部分已被围之敌。苏军第11骑兵军和第39集团军之一部已被莫德尔的第9集团军切断与外界的联系。当德军第4装甲集团军与第4集团军恢复联系时，苏军第33集团军之一部与第1近卫骑兵军、第4空降军之一部以及一些游击部队被包围在口袋嘴上，苏军这些部队是靠空运进行补给的。苏军竭力解救，均未成功，其余的那些集团军根本谈不上给予支援，集团军有的已失去行动能力，因为他们是在一条一百五十英里长的交通线的末端，恶劣的天气和运输工具不足使正常的补给己成为不可能。再者，他们已超出了支援战斗机的航程。在这种情况下，共产党的唯一补救办法是加强政治教育，提高萎靡不振的补给和运输部队的觉悟，但这一措施未能使补给的状况得到显著改善，政治教育本身也变不成军火和给养。与此同时，被围苏军部队逐渐被歼灭了。3月初，战斗开始平息下去，德军则筑壕固守，到维亚兹马和奥廖尔的交通线已畅通无阻。3月20日，苏军最高统帅部又向前调动部队发动另一次攻势，加里宁方面军再次受命将奥列尼诺与尔热夫的被孤立的德军分割开来，而西方方面军则以四个集团军沿莫斯科…维亚兹马铁路向东发起攻击。这一攻势于3月底开始，但几天之后，即4月初，就停了下来，因为部队筋疲力尽，加之春天道路泥泞，补给和运输困难。苏军在莫斯科以西的冬季反攻已经有气无力了。
苏军对中央集团军群的冬季攻势得到了列宁格勒及伊尔缅湖地区、乌克兰和克里木地区的其他重要攻势的支援。但只有在迭米扬斯克和伊久姆取得了持续的胜利。
德军没有做好充分的后勤淮备，就攻打莫斯科，而且开始的时间又那么晚，是太自不量力了。他们失败，一方面是由于天气不佳，另一方面也是由于兵员和物力不足。苏军反攻，在开始时气势较猛，但是，一向西进，