Фельдмаршалу фон Боку не оставалось ничего другого, как в начале сентября 1941 года перейти к обороне, поскольку Сталин подтянул на наиболее опасные участки фронта свежие силы. После серии яростных атак Красной Армии фон Бок был вынужден эвакуировать Ельнинский выступ. На других участках советско-германского фронта полуторамиллионная группа армий «Центр» продолжала твердо стоять на своих позициях. К концу сентября ей противостояли 2 миллиона советских солдат.
В начале сентября, после падения Киева, Гитлер решил отвести войска на зимние квартиры, но против этого выступили Бок, Браухич, фельдмаршал Люфтваффе Альберт Кессельринг и многие другие. Бок, несмотря на крайнюю усталость своих солдат, неисправность танков и неблагоприятные погодные условия, все же чувствовал, что еще мог бы захватить Москву.
Бок блестяще провел сражение за Вязьму и Брянск, которое Карелл назвал «самым блестящим окружением в военной истории».[58] С 30 сентября по 17 октября 1941 года Бок окружил в двух огромных котлах и уничтожил 81 советскую дивизию. В плен попали 663 000 человек. Красная Армия потеряла 1242 танка и 5412 орудий.[59] Наступление остановили проливные дожди, которые превратили русские дороги в потоки грязи. Теперь Бока от Москвы отделяли всего 70 миль, но выпал первый снег. Транспортные колонны могли делать не более 5 миль в день, более 2000 автомобилей, тягачей и повозок завязли в снегу и грязи на непокрытых асфальтом участках дорог, ведущих к Москве. Но что было еще хуже, ОКХ не смогло обеспечить солдат теплой зимней одеждой. Рундштедт и Лееб, командующие двумя другими группами армий на Востоке, решили перейти к обороне, но Бок продолжал упрямо настаивать на том, что, как только грунт замерзнет и появится возможность доставить провиант и амуницию, движение на Москву должно быть возобновлено.
Новое наступление на столицу СССР началось 14 ноября. С трудом пробиваясь вперед, без зимней одежды, при минусовой температуре, когда отказало 70 процентов техники, германские солдаты, сделав невозможное, оказались в 6 милях от Кремля. Но взять Москву уже было невозможно. Упрямство Бока поставило его армии в опасное положение. Совершенно обессиленные передовые германские дивизии остались без подкрепления, которое просто не могло быть им доставлено. Многие подразделения питались исключительно кониной.
6 декабря Сталин начал мощное контрнаступление. Несмотря на приказ Гитлера всем подразделениям стоять насмерть и не сдавать позиций, группа армий «Центр», с тяжелыми боями, медленно откатывалась назад. Некоторые дивизии были вынуждены бросить всю артиллерию. Танковые дивизии лишились почти всех танков, а для оставшихся не было горючего. Вскоре возникла опасность окружения 9-й армии. Все говорило о том, что группа армий «Центр» может прекратить существование. Потери в людях были просто устрашающими.
Федор фон Бок терпел первое поражение. Когда угроза катастрофы стала очевидной, он не нашел ничего умнее, как связаться с оберстом Рудольфом Шмундтом, личным адъютантом Гитлера, и пожаловаться на обострение язвы желудка. Он попросил Шмундта подробно описать фюреру ужасное состояние его здоровья, что тот и сделал. Двумя днями позже, 18 декабря 1941 года, фельдмаршал Кейтель сообщил фон Боку, что Гитлер предлагает ему взять продолжительный отпуск для поправки здоровья. В тот же день командующим группой армий «Центр» был назначен фельдмаршал Гюнтер фон Клюге.
Месяц спустя, 17 января 1942 года, вероятно, от сердечного приступа скончался фельдмаршал Вальтер Рейхенау. На следующий день Гитлер вызвал фон Бока (чудесным образом выздоровевшего) и предложил ему командование группой армий «Юг», с чем тот охотно согласился. К марту из-за сильного истощения советских войск, плохого снабжения и глубокого снега наступление Красной Армии прекратилось. Теперь обе стороны все усилия направили на обеспечение материально-технической подготовки весеннего наступления.