Второй этап немецкого наступления на Москву резко контрастировал с первым. Если в сентябре — октябре немцы наступали с темпом 20–50 км в сутки, то в ноябре темп их суточного наступления упал до 2– 3 км. За три недели ожесточенных боев части вермахта продвинулись вперед всего на 50–80 км без достижения решительного успеха. Ближе всего немцы подошли к Москве в районе деревни Крюково (23 км северо-западней столицы). Это был их последний успех.
К тому времени к беспощадным врагам вермахта в России прибавился и Дедушка Мороз. Надо отметить, что германская армия под Москвой впервые в таком масштабе столкнулась с боевыми действиями в суровых зимних условиях. Например, рост снежного покрова и лесистая местность вынудили немцев сузить фронт наступления и продвигаться вперед практически только вдоль основных дорог, что давало оборонявшимся дополнительные преимущества. Не был заранее продуман вопрос снабжения вермахта зимней одеждой. Ведь германское руководство планировало закончить победоносную кампанию до зимних холодов.
Упорное сопротивление советских воинов у стен столицы обескровило наступавших. С 16 ноября по 5 декабря они потеряли 153 тыс. чел. убитыми, ранеными и обмороженными, около 800 танков и 1500 самолетов. Такой урон немецкие войска уже не могли быстро восполнить. В целом же с начала войны немцы, даже по их данным, потеряли около 800 тыс., чел., или 25 % состава той блестящей кадровой армии, которая совершила с июня по ноябрь 1941 года самое грандиозное в военной истории наступление. Равноценной замены ветеранам летней кампании не было. Потери же советских войск в Московской битве, напротив, резко сократились. Если в начале октября они составляли в сутки 83 тыс. чел. (прежде всего за счет попавших в плен), то во второй половине ноября — всего 4–5 тыс. чел.
В конце ноября — начале декабря советские войска провели ряд контрударов под Москвой (в районе Дмитрова, Апрелевки, Каширы), в том числе силами прибывших с востока страны резервов. К этому времени изменилась и обстановка на других фронтах. На севере началось советское наступление под Тихвином. На юге войска Южного фронта (генерал Я. Т. Черевиченко) провели успешную Ростовскую операцию, в ходе которой 29 ноября был освобожден Ростов-на-Дону. Это было первое крупное поражение германских войск на Восточном фронте.
Уже 1 декабря фельдмаршал фон Бок записал в своем дневнике, что дальнейшее наступление под Москвой «не имеет ни цели, ни смысла, поскольку очень близко придвинулся тот момент, когда силы группы будут исчерпаны полностью». Видя, что ресурсы немцев иссякают, советское командование принимает в начале декабря решение о переходе в контрнаступление под Москвой.
Для наступления были привлечены силы Калининского, Западного и правого крыла Юго-Западного (с 24 декабря — Брянского) фронтов. Соотношение сил накануне контрнаступления приведено в таблице:
| Советские войска | Немецкие войска | |
| Личный состав (тыс. чел.) | 1100 | 1708 |
| Орудия и минометы | 7652 | 13 500 |
| Установки реактивной артиллерии | 450 | — |
| Танки | 774 | 1170 |
| Самолеты | 1000 | 615 |
Не имея численного перевеса, советские воины обладали более высоким боевым духом, твердым желанием защитить свою столицу и разгромить захватчиков. По воспоминаниям участника тех событий — гвардии младшего лейтенанта Григория Архипова, у бойцов тогда словно открылось второе дыхание. Немцы же испытывали кризис, связанный с крушением надежд на легкие победы, борьбой в непривычных, суровых условиях. Кроме того, немецкие войска под Москвой, растянутые на фронте в 1000 км, фактически не имели за спиной подготовленной линии обороны и достаточных резервов. Директива о переходе к обороне была подписана Гитлером только 8 декабря.
Московская наступательная операция (5 декабря 1941 г. — 7 января 1942 г.) началась без оперативной паузы, что позволило обеспечить фактор внезапности. К 7 января советские войска продвинулась вперед на 150–200 км. Были разбиты 11 танковых, 4 моторизованные и 23 пехотные дивизии вермахта.
Важнейшим следствием этого неожиданного и стремительного натиска стали огромные потери техники ударных немецких группировок, которая была брошена в ходе отступления. Просторы Подмосковья были буквально завалены припорошенными снегом танками, тягачами, грузовиками, мотоциклами, бронеавтомобилями и т. д. Только в полосе наступления 1-й ударной армии было захвачено 363 танка, 1882 автомобиля, 349 мотоциклов и т. п. Группа армий «Центр» лишилась в тот момент самых эффективных средств ведения войны. Крупные механизированные соединения отсутствовали тогда и в резерве верховного командования вермахта. Его ближайшей целью становится сохранение захваченных ранее рубежей.
Но полностью разгромить немцев под Москвой не удалось. Сказались нехватка сил (особенно танков, артиллерии и боеприпасов) и те же проблемы зимнего наступления, с которыми прежде столкнулись немцы. Кроме того, германское командование приняло решительные меры по укреплению дисциплины и боеспособности войск, для которых Гитлер впервые ввел безжалостные наказания за сдачу позиций (смертная казнь, перевод в штрафной батальон и т. д.). В этот период немецкими военно-полевыми судами за дезертирство и самовольный отход было осуждено 62 тыс. солдат и офицеров — почти каждый десятый от числа находившихся на подмосковной передовой войск.
Данные меры оказали должное воздействие на немецкие части, прекратив их паническое отступление (для сравнения можно отметить, что подобные жесткие меры были введены в Красной Армии лишь в июле 1942 г.). Оборона германских войск, срочно пополненная резервами, обрела устойчивость. 17 декабря 1941 года командующим группой армий «Центр» вместо фон Бока был назначен фельдмаршал Г. Клюге.
В отличие от многих немецких генералов, считавших, что в сложившейся ситуации логичен быстрый отход подальше на запад к выгодным оборонительным рубежам, Гитлер выдвинул идею упорной обороны.
