От общия брой дивизии на групата армии „Център“ 51 дивизия бяха предназначени за непосредственото завземане на Москва, от които 31 пехотна, 13 танкови и 7 моторизирани. В тези войски имаше около 300 000 души, 1500 танка, 3000 оръдия, 616 самолета, от които 200 изтребителя.
С плана за второто настъпление срещу Москва немскофа-Шисткото командуване набелязваше да пробие в средата на ноември 1941 г. отбраната на съветските войски на фланговете на Западния фронт, да обходи Москва от север и юг и да затвори обръча на обкръжението източно от столицата.
Замисълът на съветското върховно главно командуване беше с упорита отбрана на трите тясно взаимодействуващи си фронта (Западния, Калининския и Югозападния) да не допусне пробив на врага към Москва, да спечели време, необходимо за съсредоточаване на резервните армии в района на Москва; да премине с тези сили в решително контранастъпление и да разгроми противниковата ударна групировка северно и южно от Москва. За пълното съсредоточаване на резервните сили бяха необходими още 15–20 дена.
На 15 ноември противникът премина в настъпление. Двадесет дена продължаваха непрекъснато отбранителните сражения на московското стратегическо направление. В началото на декември 1941 г. обстановката беше следната. Северозападно от Москва противниковата ударна групировка беше изтощена и обезкръвена (беше загубила 60 % от личния си състав и техниката). В някои роти бяха останали по 25–30 души. Противникът, който за 20 дена се придвижи 100 км — със среден темп 3,5 — 4 км в денонощие, — не можа да продължи настъплението и беше принуден под ударите на резервните армии да премине към отбрана. Инициативата се изплъзваше от ръцете на противника. Създадоха се благоприятни условия за прерастване на контраударите без прекъсване в контранастъпление.
В резултат на контраударите на съветските войски на 27 ноември и 4 декември 1941 г. южно от Москва 2-а немска танкова армия под командуването на Гудериан също беше принудена да премине към отбрана. Към 6 декември немската група армии „Център“ премина към отбрана по целия си фронт. Второто настъпление на хитлеристите към Москва се провали също както и първото.
Общо отбранителният период на битката при Москва продължи 67 дена (от 29 септември до 5 декември 1941 г.). През това време трите фронта — Западният, Калининският и Югозападният — отбиха две генерални настъпления на противника срещу Москва.
В хода на отбранителните операции се създадоха условия за прелом в съотношението на силите и средствата в полза на съветската армия. Ударната групировка на врага загуби средно около половината от личния си състав и голямо количество бойна техника. В критичния момент на отбранителната операция щабът на върховното главно командуване своевременно осъществи въвеждането на стратегическите резерви в сражението, с което спря настъплението на противника и го принуди да премине към отбрана.
Благодарение на огромната организаторска работа на комунистическата партия и на самоотвержения труд на съветските хора в тила можаха да се създадат големи стратегически резерви и навреме да се съсредоточат северно и южно от Москва. Съветският народ отдаваше всичките си сили, за да снабдява съветската армия с всичко необходимо.
В резултат на това в началото на декември 1941 г. съотношението на силите се измени. Съветските войски имаха приблизително равенство на силите в пехота и превъзхождаха противника по броя на самолетите. Противникът превъзхождаше по отношение на артилерията и танковете.
По такъв начин към 6 декември 1941 г. бяха създадени необходимите условия за преминаване на съветските войски в контранастъпление и вземане на стратегическата инициатива.
Контранастъплението при Москва се осъществяваше от три фронта — Западен (с командуващ армейския генерал Г. К. Жуков и член на военния съвет Н. А. Булганин), Калинински (с командуващ генерал-полковник И. С. Конев и член на военния съвет Д. С. Леонов) и Югозападен (с командуващ маршала на Съветския съюз С. К. Тимошенко и член на военния съвет Н. С. Хрушчов).
На 5 декември 1941 г. първи преминаха в контранастъпление войските на Калининския фронт, а на 6 декември — вой-ските на Западния и Югозападния фронт.