В июле — сентябре на всём советско-германском фронте развернулись сражения огромного масштаба. Советские войска, вынужденные перейти к стратегической обороне, с помощью резервов СВГК в июле продолжали борьбу за завоевание инициативы. Это выразилось в контрударах, наносившихся 2 механизированными корпусами Западного фронта под Лепелем, 21-й армией под Бобруйском, 11-й армией под Сольцами, 5-й армией южнее Коростеня и др. Несмотря на крайне неблагоприятную для Красной Армии обстановку, немецко-фашистское командование не смогло уничтожить основную массу советских войск. Героически сопротивлявшиеся советские войска наносили врагу тяжёлые потери и вынуждали его использовать свои резервы не для наращивания сил и средств, а для восполнения потерь ударных группировок.
Немецко-фашистская группа армий «Север» стремилась прорваться к Ленинграду. В ожесточённых боях под Дугой, южнее озера Ильмень, под Старой Руссой, в районе Красногвардейска советские войска обороной и контратаками измотали противника и нанесли ему значительные потери. Однако врагу удалось оккупировать Эстонию и прорваться на ближние подступы к Ленинграду. Здесь противник встретил непреодолимую оборону советских войск и поднявшихся на защиту своего города трудящихся-ленинградцев. Большое значение в обороне Ленинграда имела 100-дневная героическая оборона островов Эзель (Сарема) и Даго (Хиума) и 150-дневная оборона полуострова Ханко . Советский народ был полон решимости отстоять Ленинград — колыбель пролетарской революции. Под руководством Военного совета Ленинградского фронта (командующие генерал-лейтенант М. М. Попов, с 5 сентября Маршал Советского Союза К. Е. Ворошилов, с 13 сентября генерал армии Г. К. Жуков), партийные и советские организаций Ленинграда и области вокруг города создаётся система оборонительных сооружений, в городе формируется народное ополчение, в тылу врага — партизанские отряды. 8 сентября немецко-фашистским войскам удалось прорваться к Ладожскому озеру, захватить Шлиссельбург (Петрокрепость) и перерезать сухопутные коммуникации, связывавшие Ленинград со страной. Враг пытался штурмом овладеть городом, но был отбит и остановлен на ближних юго-западных и южных подступах к нему. Началась героическая эпопея борьбы армии, ВМФ и трудящихся Ленинграда в тяжелейших условиях блокады, вошедшая в историю как непревзойдённый пример воинской и гражданской доблести, стойкости и массового героизма советских людей (см. Ленинградская битва 1941—44 ).
На западном направлении немецко-фашистская группа армий «Центр» 10 июля начала наступление на Смоленск (см. Смоленское сражение 1941 ). Ей противостояли не успевшие организовать прочную и глубокую оборону главные силы Западного фронта (командующий Маршал Советского Союза С. К. Тимошенко), значительно уступавшие противнику в силах и средствах (в танках в 7 раз, в артиллерии в 2,4 раза, в самолётах в 4 раза). Две мощные немецкие танковые группы форсировали Днепр. Несмотря на большие потери, врагу удалось 16 июля захватить Смоленск. Контрудары 22-й армии под Витебском и Великими Луками, 21-й армии под Рогачёвом и Жлобином, 20-й армии под Оршей и Красным, 16-й армии под Смоленском и др. сковали силы врага, который понёс большие потери. В конце июля усилиями войск Западного фронта ударная немецкая группировка была остановлена и немецко-фашистская группа армий «Центр» 30 июля перешла к обороне. В ходе Смоленского сражения наиболее отличившимся соединениям впервые в Красной Армии присвоено наименование гвардейских (см. Гвардия советская ).
На юго-западном направлении советские войска в июле — сентябре в кровопролитных боях сдерживали натиск немецко-фашистской группы армий «Юг». Германское верховное командование надеялось ударами во фланг и тыл основным силам Юго-Западного и Южного фронтов уничтожить одну из наиболее крупных группировок советских войск и прорваться к главным промышленным районам Украины, а затем — к нефтяным источникам Кавказа. К середине июля развернулись оборонительные бои с немецко-фашистскими войсками, наступавшими на Киев, южнее Полесья. Использовав разрыв шириной в 60 км между 5-й армией, оборонявшей Коростенский укрепленный район, и войсками, прикрывавшими Киев, часть сил 1-й немецкой танковой группы прорвалась на подступы к Киеву. Для захвата Киева немецко-фашистское командование выделило 6-ю армию. Однако советским войскам удалось остановить наступление противника на Киев (см. Киевская оборонительная операция 1941 ). Южнее Киева, на фронте от Бердичева до Днестра, войска 1-й немецкой танковой группы 16—17 июля прорвались в район Белой Церкви, 17-я армия продвинулась на жмеринском направлении, а 11-я немецкая армия форсировала р. Днестр в районе Могилёва-Подольского. Контрудары советских войск на несколько дней задержали продвижение врага, однако, в начале августа ему удалось в районе Умани окружить 6-ю и 12-ю советскую армии. Одновременно войска 4-й румынской армии прорвали оборону 9-й советской армии на Днестре, севернее Тирасполя. Отсеченные от главных сил Южного фронта, левофланговые соединения 9-й армии образовали Приморскую группу войск (позднее Отдельная Приморская армия) Выйдя в начале августа к Днестру в полосе Юго-Западного фронта, немецко-фашистские войска повернули значительные силы на Ю., во фланг и тыл Южному фронту. Советские войска были вынуждены к 19 августа отойти за Днепр, ведя оборону от Никополя до Херсона. Отдельная Приморская армия отступила к 10 августа на Ю., к Одессе. Началась героическая Одесская оборона 1941 (5 августа — 16 октября), в ходе которой советские войска сковали свыше 18 румынских и немецких дивизий и нанесли им тяжёлые потери.