基辅战役
基辅是苏联的第三大城市，战略地位十分重要，它位于第哥伯河与杰斯纳河交汇处，陆路水路和航空四通八达，既是苏联西南地区的交通要塞，也是德军夺取顿涅茨工业区和高加索油田的必经之路。7月5日，德军南方集团军群以45个师和1个旅的兵力（另有匈牙利的3个旅和意大利的3个师陆续加入战斗），在第4航空队支援下，从行进间突入苏联旧国界筑垒地域，揭开了为期2个半月的基辅战役的序幕。根据该集团军群总司令龙德施泰特元帅6月30日的第2号指令，其所属部队应乘苏军立足未稳，从行进间突破苏军从沃伦斯基新城至德涅斯特河一线的筑垒地域，继而将苏军西南方面军左翼围歼于文尼察周围。为此，该集团军群以第1装甲集群和第6集团军为主要突击集团，从斯卢奇河中游以西地区向日托米尔、别尔季切夫一线旧国界筑垒地域实施突破，尔后视苏军西南方面军是否撤过第聂伯河，第1装甲集群主力或继续东进，或挥师南下；第17集团军配属斯洛伐克派遣军，担任辅助突击，从兹布鲁奇河一线向普罗斯库罗夫、文尼察方向推进，以不间断的进攻箝制当面苏军的重兵集团；第11集团军配属罗马尼亚派遣军，担任侧后突击，从普鲁特河附近向东北方向莫吉廖夫-波多利斯基地域攻击前进，继而强渡德涅斯特河，前出文尼察地域，同第17集团军会合。
德军的当面之敌是苏西南方面军，由米·彼·基尔波诺斯上将统率，辖第5、第6、第26和第12集团军共44个师。
战役从1941年7月5日开始，至9月26日结束。根据双方的主要作战行动，此役分为旧国界筑垒地域之战（7月5～9日）、乌曼战役与基辅外围作战（7月9日～8月中旬）和基辅地域合围战（8月下旬～9月26日）3个阶段。
基辅战役异常激烈，从战役一开始，德军就利用优势兵力猛打猛冲，苏军虽居劣势，却异常勇猛，顽强阻击，最后德军南方集团军群根据希特勒的第35号指令，于9月12日以第1装甲集群主力和第17集团军一部在第4航空队支援下，从第聂伯河左岸克列缅丘格附近登陆场，经卢布内向西北方向推进，以便同第2装甲集群南下部队尽快会合。15日，南北对进的德军第1和第2装甲集群在洛赫维察地域会合，完成了对苏军西南方面军第21、第5、第37和第26集团军的合围。被分割成零星小股的苏军官兵继续英勇奋战。19日，苏军第37集团军奉命放弃基辅，德军第6集团军占领了乌克兰首都基辅。20日，苏军西南方面军司令米·彼·基尔波诺斯上将、军事委员会委员和参谋长等高级将领在突围中阵亡。26日，历时2个半月以上的基辅战役宣告结束。
基辅战役是1941年7～9月苏德战场的三大战役之一。苏军西南方面军及其友邻部队在正面300余公里、纵深约600公里的广大地区英勇奋战，以翼侧突击和正面防御相配合，迟滞德军进攻达2个半月之久，吸引德军中央集团军群南翼的突击力量南下，为苏军加强莫斯科方向的防御赢得了时间。但是，由于苏军兵力相对薄弱，缺少抗击德军装甲摩托化部队的经验与手段，采取消极守城的作战方针，最终遭到损兵失地的重大失利。德军在进攻初期兵力分散，未能将苏军重兵集团歼灭在第聂伯河以西，此后利用三面包围苏军西南方面军的有利态势，集中2个集团军群的内翼兵力协同作战，迅速围歼该方面军主力，减少了中央集团军群的南翼威胁，为南方集团军群夺取哈尔科夫与顿涅茨经济区，前出克里木和高加索创造了条件，但却因此失去了进攻莫斯科的有利时机。
斯摩棱斯克战役
1941年7月3日，比亚韦斯托克-明斯克战役尚未结束，德军中央集团军群（总司令为费·冯·博克元帅，辖60个师又1个旅）根据《“巴巴罗萨”作战预令》的既定方针，即以第4装甲集团军率先向斯摩棱斯克方向实施追击。至7月9日，比亚韦斯托克-明斯克战役结束，该集团军进至第聂伯河中游至西德维纳河一线，随后跟进的第2和第9集团军也以先头部队分别抵达别列津纳河与西德维纳河一线。德军企图一举歼灭避开比亚韦斯托克-明斯克合围的苏军西方面军余部，从行进间夺取斯摩棱斯克及其附近第聂伯河与西德维纳河之间通往莫斯科的大陆桥，为长驱直入莫斯科创造条件。
鉴于边境交战失利，苏军从6月底开始沿西德维纳河、第聂伯河中游部署战略第二梯队，以固守斯摩棱斯克地域，阻止德军突击首都莫斯科。苏军西方向总司令兼西方面军司令铁木辛1941年7月3日，斯大林发表广播演说，号召苏联人民投入反法西斯卫国战争。哥将来自大本营预备队并编入西方面军的第22、第19、第20、第16和第21集团军，沿两河一线由北向南依次展开，而将边境交战中被德军击溃或削弱的西方面军所属第13、第4、第3和第10集团军的一些兵团调往后方休整补充。为加大这一方向的防御纵深，苏军在西方面军主要防御地区以东210～240公里处的涅利多沃、布良斯克一线展开第24和第28预备队集团军，并在西方面军侧后陆续组建后备方面军、中央方面军和预备队方面军。但在斯摩棱斯克战役开始前，从大后方调入西方面军的48个师中，只有37个师到达伊德里察至日洛宾以南地域一线并占领阵地，未及建立稳定的纵深防御。
1941年7月10日，德军中央集团军群所属第4装甲集团军在第2航空队支援下，强渡第聂伯河，发起斯摩棱斯克战役。此役历时约1个月，苏德双方在“这个曾经成为拿破仑军队通往莫斯科道路上的可怕障碍的俄罗斯古城”及其附近，正面500余公里，纵深200余公里的广阔地域内，进行了一系列激战和反复争夺。
在斯摩棱斯克战役中，德军利用苏军立足未稳，防御体系尚不完备，依靠强大的装甲兵力与密切的步、坦协同，连续实施深远的钳形突击、分割包围和各个击破，歼灭了苏军大量兵力，占领了斯摩棱斯克等战略要地，向第聂伯河以东推进200余公里，从而打开了通往莫斯科的门户，率先达到《“巴巴罗萨”作战预令》为其确定的第一阶段作战目标。与此同时，苏军不断投入新锐兵力，以顽强的防御和接连不断的反突击毙伤德军25万人，迟滞德军进攻达1月之久，为加强莫斯科的防御赢得了宝贵时间。在苏军有力打击下，德军的作战能力，特别是装甲军突击力明显下降，对其尔后作战造成严重影响。因而，希特勒在8月4日视察中央集团军群时承认，如果在发动侵苏战争前就知道苏军的坦克和飞机有那么多，他就很难定下侵苏决心。
斯摩棱斯克战役结束后，德军将进攻重点转向南北两翼，但在中部叶利尼亚等地仍有激战。为清除德军突向莫斯科的前进基地叶利尼亚突出部，苏军预备队方面军所属第24集团军及其加强兵力共10个师，8月30日向突出部的根部实施相向突击，尔后又击退德军多次反击。至9月4日，苏军予德军叶利尼亚集团以重大打击，并对其形成深远包围，迫使其开始退却。2天后，苏军收复该市，并向西追击。9月8日，苏军进至乌斯特罗姆河、斯特里亚纳河一线，胜利结束叶利尼亚战役。此外，苏军西方面军以4个集团军的兵力于9月1～9日在斯摩棱斯克附近再次转入进攻，但未奏效。尔后，苏军也在莫斯科方向转入防御。
列宁格勒会战
根据德国陆军总司令部1941年7月8日的指令，德军北方集团军群于7月9日突破拉脱维亚-俄罗斯边界的苏军防线后，占领了列宁格勒的西南门户普斯科夫，与位于拉多加湖西北的芬军主力遥相呼应，对苏联第二大城市列宁格勒及其附近地域形成南北夹击之势。
为迅速扭转列宁格勒地区的危急局面，苏军最高统帅部大本营于9月10日将其成员朱可夫大将派往那里，接替苏联元帅伏罗希洛夫任列宁格勒方面军司令。在朱可夫大将参与下，该方面军军事委员会于当夜开会讨论列宁格勒局势，决心保卫列宁格勒，直至流尽最后一滴血。会议决定：从卡累利阿地峡的第23集团军抽调部分兵力加强最受威胁的普尔科沃高地-乌里茨克地段，并以方面军的部分火力和波罗的海舰队的所有舰炮火力支援那里的第42集团军作战；在6～8天内，以波罗的海舰队水兵、列宁格勒各军事院校的人员组建5～6个独立步兵旅；立即从防空部队抽调部分高炮加强最危险地段的对坦克防御；在易受攻击的方向组织纵深梯次配置的防御，在通向城市的要道敷设地雷等障碍物。
不久，苏军列宁格勒方面军又制定了加强城市防御的补充措施。主要是：加强党的政治思想工作，以坚定军民的必胜信念；9月18日前再组建2个师又5个旅的方面军预备队，增大防御纵深，进一步加强在主要防御方向上作战的第42集团军，粉碎德军以正面突击夺取列宁格勒的企图；东西两翼部队和城南游击队以积极行动箝制德军兵力，配合城市保卫战。
随着上述措施的迅速落实和列宁格勒军民的誓死抵抗，德军的凌厉攻势开始受到遏制。在列宁格勒西南，苏军一面将新建的2个师和2个旅加强给第42集团军，以建立强大的第二梯队，占领列宁格勒外围从芬兰湾东南岸至涅瓦河一线的筑垒地域，增强主要防御方向的稳定性；一面利用德军第18集团军东部集群左翼战线过长、易受攻击的弱点，以第8集团军的4个步兵师组成突击集群，于9月19日从奥拉宁包姆登陆场东部向红村方向德军侧后实施反突击，迫使德军将乌里茨克、列宁格勒方向的部分兵力调往彼得戈夫方向，有力地配合了第42集团军粉碎德军从西南突入列宁格勒的企图。在列宁格勒南面，德军第18集团军东部集群右翼于9月18日通过苏军第42和第55集团军的接合部向普希金城发起进攻，企图由此向左迂回普尔科沃高地，向右迂回科尔皮诺筑垒地域，进而从南面突入列宁格勒。与此同时，德军于9月19日连续炮击列宁格勒达18小时之久，并出动轰炸机276架次，对该市进行6个波次的猛烈轰炸，企图以此摧毁列宁格勒军民的抗战决心。
然而，奋战在列宁格勒以南的苏军部队不畏强敌，终于将进攻之敌阻止在列宁格勒城下，挫败了德军紧缩包围圈的种种努力。在此期间，苏军驻蒙海峡群岛、汉科半岛和喀琅施塔得的守备部队与波罗的海舰队部分兵力，在远离己方主力的情况下孤军奋战，箝制了德军的有生力量，并以炮火支援列宁格勒地区的苏军粉碎德军进攻；苏军防空部队共击毁袭击列宁格勒的德军飞机300余架。从苏德战争爆发至9月底，在列宁格勒地区及其附近海域上空，苏军航空兵出动作战飞机约6万架次，同德芬两国飞机进行空中格斗，袭击德军机场和战役纵深，有力地支援了地面部队、海军舰艇的作战。
由于遭到苏军日益顽强的抵抗，德军北方集团军群每前进一步都要付出沉重的代价，每昼夜的平均推进速度从7月的5公里降至9月的1～2公里。此外，即将开始的莫斯科会战还使该集团军群丧失了主要突击力量。除第39装甲军外，德军第4装甲集群（辖第41和第56装甲军）和原第3装甲集群第57装甲军被陆续调离，其辖区分别由第18集团军和第16集团军第2军接管。稍后，德军第8航空军也转隶莫斯科方向的第2航空队。德军北方集团军群的突击力明显减弱，攻克列宁格勒的希望更加渺茫。
鉴于对列宁格勒的多次强攻均未得手，德军不得不转而采取以长期封锁为主、军事进攻为辅的方针。在这种极端恶化的条件下，列宁格勒军民同仇敌忾，宁死不屈，勇渡难关，在政府的统一领导下，他们一面加强对空防御和反炮击斗争，一面展开反围困斗争。
莫斯科会战
1941年9月30日和10月2日，德军中央集团军群先后发起布良斯克和维亚济马战役，莫斯科会战从此开始。这次会战按苏军的行动性质分为防御、反攻和总攻3个阶段。1941年9月30日至12月5日为苏军防御阶段，12月5日至1942年1月7日为苏军反攻阶段，1942年1月8日至4月20日为苏军总攻阶段。
战斗一开始就异常激烈和残酷。希特勒以为胜券在握，于10月7日命令中央集团军群总司令费·冯·博克元帅不准接受莫斯科投降，妄图把这个他恨之入骨的城市从地图上抹掉，而苏军利用筑好的多重纵深层次的防御体系，顽强地阻击敌人。
德军的进攻多次使莫斯科处于危急状态。但位于一线作战的德军指挥官们意识到，德军的进攻能力很快就要耗尽，因此，请求“撤退到一条较短的容易防守的战线，预先为驻扎、补给、防御做好充分准备，以便时机一到，就能在很短的时间里将其占领”。然而，德国陆军总司令部和希特勒都不同意冯·博克等人的意见。希特勒对撤退不予考虑，只是在冯·博克再三请求下，同意当代价高昂的攻势无望取胜时中止进攻。
为了缓解莫斯科西北的紧张局势，苏军最高统帅部大本营将突击第1集团军和第20集团军调归西方面军右翼，第16、第30集团军也得到加强，在红波利亚纳、克留科沃地域实施了反突击。到12月初，阻住了德军的进攻。在纳罗福明斯克方向，12月3日，德第4集团军遭到苏第5、第33集团军的反突击，被迫退至库宾卡以北、戈利齐诺和纳罗福明斯克以南阵地。12月5日，冯·博克命令第3、第4装甲集团军群与苏军脱离接触，并于随后几天撤到伊斯特拉至克林以东的防线，德军从西北和北面突入莫斯科的企图被粉碎。在图拉方向，12月5日，苏军第50集团军协同第49集团军左翼各兵团在科斯特罗沃、列维亚基诺地域实施反突击，恢复了图拉与莫斯科的联系。德军第2装甲集团军被迫向南退却，撤到顿河上游、夏特河、乌巴一线。德军对莫斯科的最后一次进攻彻底失败。至此，莫斯科会战苏军防御阶段结束。
1941年12月5～6日，苏军在加里宁、克林·索尔涅奇戈尔斯克、图拉和叶列茨等方向发动了具有历史意义的大反攻。至1942年1月初，苏军在西部战略方向的反攻全部结束。苏军解放1.1万多人的居民地，消除了图拉被合围的危险。进攻的苏军前出到勒热夫、拉马河、鲁扎河、博罗夫斯克、莫萨利斯克、别廖夫、韦尔霍维耶一线。德军38个师遭重创，进攻莫斯科的突击集团被击溃。德军后退100～250公里，从南北两面突击莫斯科的企图被彻底粉碎了。