苏军在莫斯科的反攻，粉碎了德军夺取莫斯科的企图，并迫使德军后退100～250公里，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。苏军在莫萨利斯克-苏希尼奇、勒热夫-拉马河形成南北两个突出部，德军第4、第9集团军、第3、第4装甲集团军态势突出，很容易被苏军合围，切断退路。与此同时，苏军在季赫温和罗斯托夫的反攻也取得一定战果，德军季赫温集团被赶过沃尔霍夫河，列宁格勒同内地铁路交通以及拉多加湖的联系都得以恢复，其防御能力大大提高。南方面军诸部解放罗斯托夫，粉碎了德军向高加索突破的计划。在克里木，苏军发起了刻赤-费奥多西亚登陆战役，解放了刻赤半岛和费奥多西亚，迫使德军暂时中止对塞瓦斯托波尔的进攻。
从总的态势看，德军中央集团军群处于比较孤立的状态，易于苏军发展进攻，扩大战果。德军统帅部意识到了这种危险，1941年12月28日，发布关于组织防御的命令，要求各部队竭尽全力寸土必争。在冬季的主要任务是守住已占领的地区，以争取时间纠集新的预备队，为1942年春天重新发动进攻创造条件。为此，北方集团军群必须在沃尔霍夫河一线和沃尔霍夫车站通往西北的铁路线上设防固守，继续对列宁格勒实行围困。中央集团军群的任务是守住勒热夫、布良斯克、斯摩棱斯克构成的三角地带和勒热夫-维亚济马-布良斯克、斯摩棱斯克-格扎茨克两条十字形铁路交通线。南方集团军群的任务是坚守占领地区，攻下塞瓦斯托波尔。
斯大林深受苏军在莫斯科反攻中取得胜利的影响，他认为，德军在莫斯科失败后，正处于慌乱状态，未作冬季作战准备的德军将无法抵挡苏军的连续突击，只要突破德军防线，不给德军以喘息之机，就可以打破德军来年的春季进攻，并在列宁格勒、莫斯科以西地区、乌克兰和克里木击溃德军。因此，苏最高统帅部大本营确定的总攻计划是：在西方向实施主要突击，围歼德军中央集团军群的基本兵力；在西北方向粉碎德军北方集团军群；在西南方向击溃德军南方集团军群，解放顿巴斯和克里木。总攻时间预定在反攻之后不作间歇立即展开。
1942年1月7日，西方向各方面军司令部接到进攻训令，各方面军根据最高统帅部的训令拟定了具体计划：西方面军右翼的第1突击集团军、第20、第16集团军继续向瑟乔夫卡总方向进攻，并在加里宁方面军协同下，消灭德军瑟乔夫卡-勒热夫集团；中央的第5、第33集团军向莫扎伊斯克、格扎茨克总方向进攻；第43、第49和第50集团军向尤赫诺夫实施突击，粉碎德军尤赫诺夫-孔德罗沃集团，随后向维亚济马发展进攻；别洛夫的加强骑兵军向维亚济马地区挺进，同加里宁方面军的骑兵第11军会合，以便共同对德军维亚济马集团实施突击；第10集团军向基洛夫进攻，并掩护西方面军左翼。
加里宁方面军向瑟乔夫卡、维亚济马总方向进攻，并以部分兵力迂回勒热夫，其第22集团军应向别雷发展进攻。
西北方面军向两个不同的方向实施进攻，第3突击集团军向大卢基总方向进攻；第4突击集团军向托罗佩茨-韦利日进攻。
西南方面军右翼集团军和布良斯克方面军的任务是钳制正面之敌，不让其把部队调往中线和顿巴斯。
总攻以加里宁方面军（5个集团军、1个骑兵军）于1月8日实施瑟乔夫卡-维亚济马进攻战役开始。1月8日，加里宁方面军第39集团军突破德军在勒热夫以西的防御，继续向南部的瑟乔夫卡推进。第二天，西北方面军的左翼部队第3、第4突击集团军从奥斯塔什科夫发动进攻，遭到德军的顽强抵抗，在初期战斗中，没有多大进展。
至1月12日前，苏军第3、第4突击集团军突破德军防御战术地幅。1月16日，第4突击集团军夺取安德烈亚波尔市，l月21日，攻占托罗佩茨市，其先遣支队切断了大卢基-勒热夫铁路。第3突击集团军至l月22日前合围霍尔姆市德军，从南面迂回德军第16集团军杰米扬斯克集团。到1月底，第3、第4突击集团军已迫近大卢基、维捷布斯克和杰米多夫，德军中央集团军群面临被深远包围的危险。为便于指挥，斯大林将第3、第4突击集团军转给加里宁方面军。
加里宁方面军的第39集团军在勒热夫西北突破，占领通向维亚济马的大片地域，严重威胁德军在瑟乔夫卡的交通线。德军迅速空运来2个师的兵力，组成一道新的防线。苏军不断向德军施加压力，1月12日，第29集团军和骑兵第11军先后投入战斗，第22集团军由谢利扎罗沃地域转入进攻。德军誓死抵抗，至1月22日，苏军第39集团军前进80～90公里，进至德军勒热夫集团后方；第22集团军从西北深远包围了奥列尼诺集团。至1月26日前，第22、第29集团军完成对奥列尼诺地域德军约7个师的合围。骑兵第11军从北面突至维亚济马，切断了维亚济马-斯摩棱斯克公路。加里宁方面军右翼突至维捷布斯克、斯摩棱斯克、亚尔采沃等市接近地，从西北深远包围了德军中央集团军群。
从东南面实施突击的西方面军左翼各集团军进展顺利。1月10日前，第10集团军合围苏希尼奇的德军，解放莫萨利斯克，并进抵基洛夫、柳季诺沃、日兹德拉等市的接近地。第50集团军和近卫骑兵第1军突破德军在尤赫诺夫以南的防线，从南面和西南面向德军第4集团军约9个师组成的尤赫诺夫集团迂回。第43、第49集团军则从北面和东北面迂回德军尤赫诺夫集团，于1月19日进抵谢洛基、达曼诺沃、普柳斯科沃一线。第33集团军在第43、第49集团军以北向维亚济马进攻，在梅登地区的德军第4装甲集团军和第4集团军之间打入一个楔子，德军1941年7月21日夜间，德空军首次空袭莫斯科，被苏军击退。图为当夜苏军的防空火力照亮了克里姆林宫上空。第4装甲集团军司令埃·赫普纳大将为避免被围，下令撤退。1月19日，第33集团军夺取韦列亚，并继续向西和西南方向推进。赫普纳因擅自撤退被撤职，他的职位由原第5军军长里·鲁奥夫接替。不过，鲁奥夫也未能守住防线，继续后撤。
由于德军的抵抗很顽强，苏军第50集团军未能突破德军在尤赫诺夫附近的防御，第10集团军也未能击退来自日兹德拉地域的德军反突击，只是到1月29日，在得到第16集团军的加强后，才夺取苏希尼奇。到2月初，苏军在这里的进攻基本停止。不过，苏军第50、第49、第43集团军的进攻牵制了德军尤赫诺夫集团，给尤赫诺夫以北的第33集团军和尤赫诺夫以南的近卫骑兵第1军突入德军后方，向维亚济马突击创造了条件。
战役的关键已经转到维亚济马地区，如果苏军突击成功，加里宁方面军与西方面军将在维亚济马完成对德军中央集团军群的包围，德军的处境将十分危险。德军意识到了这一危险，由于没有更多的预备队，从德国或西线调遣预备队又需较长时间，而且运输条件较差，预备队肯定很晚才会到达。到那时，防线恐怕已不复存在了。现在唯一的办法就是缩短战线抽调一线部队充任预备队。中央集团军群司令汉斯·京特·克卢格与希特勒多次交涉后，得到希特勒的首肯，同意将部队撤到事先准备好的冬季阵地，不过，撤退前必须封住缺口。
苏军统帅部为了扎紧口袋，命令苏军继续向维亚济马突击。
1月27日，西方面军近卫骑兵第1军在尤赫诺夫西南35公里处突过了华沙公路，经过3天激战，在维亚济马以南同用于截断德军后勤补给线的空降兵部队、游击队会合。第33集团军在尤赫诺夫以北的突击也取得进展，在1月31日到达尚斯基扎沃德和托卡廖夫地区。德军在这里没有建立绵亘防线，朱可夫决定趁德军未调来预备队之前攻占维亚济马。与此同时，苏军最高统帅部为了统一指挥该地区的作战，于2月1日重建西方向总指挥部，朱可夫担任总指挥，并指示莫斯科防区的空军部队全部投入战斗。遵照最高统帅部的指示，远程轰炸航空兵对德军在维亚济马至奥尔沙，勒热夫经维亚济马至布良斯克，帕夫利诺沃至叶利尼亚等地段的德军交通线，以及德军在维亚济马、斯摩棱斯克、维捷布斯克和奥尔沙等地域的德军机场实施了突击。
但是，在这关键时刻，苏军最高统帅部因过早地将第1突击集团军和第16集团军从莫斯科以西撤走去增援南北两翼，致使正试图从东往西进攻的第20集团军逐渐失去锐势，减轻了德军第3、第4装甲集团军和第9集团军正面的压力。与此同时，德军从西欧调来的12个师和2个旅对苏军第33集团军和近卫骑兵第1军实施数次反突击。2月3日，德军第4装甲集团军与第4集团军恢复联系，切断了苏军第33集团军一部、近卫骑兵第1军、空降兵第4军一部及一些游击队与后方的联系。
4月初，德军集结大量兵力，对被围苏军进行大规模扫荡。近卫骑兵第1军和第33集团军请求突围。朱可夫同意了他们的请求，并命令他们由游击区森林区向基洛夫总方向突围。到1942年7月18日，近卫骑兵第1军和空降部队经过长途迂回与主力部队会合。第33集团军突围失败，部队被打散，第29集团军除5000人向南突围成功与第39集团军、近卫骑兵第11军会合外，其余大部牺牲。第39集团军和近卫骑兵第11军的一部又被德军第9集团军切断，德军第9集团军和第3装甲集团军一部突出包围圈，苏军第4突击集团军因补给困难，且缺乏预备队，对维捷布斯克和杰米多夫的进攻被迫停止。
德军兵力不断得到加强，苏军第22、第30、第39、第43和第50集团军对奥列尼诺、尤赫诺夫集团发起的攻击，均未取得重大战果。4月20日，斯大林被迫下令停止进攻，命令加里宁方面军和西方面军就地转入防御。
随着形势逐渐好转，斯大林认为解除德军对列宁格勒的围困十分必要。为此，他要求沃尔霍夫方面军击败在诺夫哥罗德以北防守沃尔霍夫河的德军，尔后向西北方向发展进攻，与列宁格勒方面军协同，围歼对列宁格勒实行围困的德军；西北方面军右翼部队应向旧鲁萨、索利齐、德诺方向实施突击，切断敌诺夫哥罗德集团的交通线，并与沃尔霍夫方面军左翼集团军协同歼灭该集团，从而加速列宁格勒的解围。
1942年1月7日，西北方面军的第11集团军由北向旧鲁萨南部推进；第3突击集团军在第l突击部军的增援下，由南向北发动向心突击；第34集团军向杰米扬斯克进攻，从正面牵制德军，目的是孤立位于伊尔门湖和奥斯塔什科夫之间的德军。
2月8日，由南北实施向心突击的苏军进展顺利。2月25日，近卫步兵第1军由北向拉穆舍沃进攻的部队，与由南部进攻的第34集团军的步兵第42旅会合，将德军第16集团军6个师约9万人合围在杰米扬斯克附近长约60公里、宽约30公里的地域内。近卫步兵第2军由旧鲁萨地域发起的进攻进展顺利，未遇德军激烈抵抗于2月底前进至霍尔姆市接近地，德军旧鲁萨集团和杰米扬斯克集团的联系被完全切断。在此情况下，希特勒一面命令德军杰米扬斯克集团固守待援，准备里应外合消灭苏军进攻部队，一面集中大量运输机实施空中补给。从2月19日至5月18日，平均每天向杰米扬斯克空运273吨补给品，共输送兵员1.5万人，运出伤员2.2万人。3月19日，为了增援被围部队，德军统帅部又组织了一个由5个师编成的赛德利茨军级集群，从旧鲁萨向拉穆舍沃方向苏军第11集团军和第1突击集团军的接合部实施突击，稍后，德军被围集团也在扎卢奇耶以北向拉穆舍沃方向实施向心突击。至4月21日，德军在苏军的包围圈上打开了一个宽4公里的狭窄通道，并于4月23日会合。此后，德军不断加强杰米扬斯克的兵力，坚守整个夏季，并将其作为发动新的进攻的跳板。
沃尔霍夫方面军为了切断德军第18集团军的补给地域，北上增援列宁格勒，于1942年1月7日向诺夫哥罗德的正北方发动进攻。苏军第54集团军为了与第2突击集团军会合，于3月的第二周从基里希往南发动向心突击，德军第1军面临被切断危险。为消除这一危险，德军第38军与第1军从南北向苏军突破口实施反突击，于3月19日会合，反将苏军第2突击集团军切断，沃尔霍夫方面军司令基·阿·梅列茨科夫大将虽率部成功地打开了一条通道，但因通道太窄，且很快被德军封闭，结果，包括方面军副司令费拉索夫中将在内的3万多苏军被俘。
西南方向的进攻由西南方面军、南方面军实施，主要目的是击溃德军南方集团军群，解放顿巴斯和克里木。
1月18日，西南方向的苏军发起进攻。突击集团在最初几天便突破德军从巴拉克列亚到斯拉维扬斯克的正面防御。1月22日，第57集团军已推进25公里，骑兵第5军迅速投入突破口，并于1月23日攻占重要的交通枢纽巴尔文科沃。战役开始后，德军急忙从哈尔科夫、第聂伯罗彼得罗夫斯克和顿巴斯等地调来预备队。德军顽强扼守巴拉克列亚和斯拉维扬斯克两地域，苏军未能向两翼扩大突破口。苏军第37、第38集团军在丘古耶夫、克拉马托尔斯克两方向虽进入德军防线，但未能继续前进。向红军城方向进攻的第12集团军也受阻。鉴于形势复杂化，西南方向总司令铁木辛哥元帅决定将方面军预备队投入战斗，以加快进攻速度，得到苏军最高统帅部的批准。最高统帅部同时要求：切断德军主要集团在斯拉维扬斯克地域的主要交通线，随后兵分两路，一路在第聂伯河西岸夺占登陆场，一路向南挺进，占领马里乌波尔以西或梅利托波尔以西地域。为此，最高统帅部将315辆坦克、4个步兵旅、2个航空兵团调归铁木辛哥指挥。l月26日，苏军第9集团军在第57、第37集团军的接合部进入交战。1月27日，第6集团军和骑兵第6军切断哈尔科夫-扎波罗热的铁路线，解放洛佐瓦亚。此后，苏军的进攻均未取得进展，2～3月，苏军在许多地段转入防御。
高加索方面军的情况也不顺利。德军在费奥多西亚附近转入反攻，再次攻陷该城。方面军诸部被迫后撤30～50公里，退向阿克-莫纳伊斯克阵地。
总攻过程中，苏军在某些方向上曾迫使德军后退100～350公里，击溃德军近50个师，使德军损失40余万人，并迫使德军不得不由其他战区抽调39个师、6个旅和大量补充人员以增强苏德战场的兵力。但是，苏军的总攻并未完成预期任务。西方向的主要突击未能围歼德军中央集团军群的基本兵力；西北方向的进攻虽然给敌人的有生力量和技术装备造成颇大损失，但未能做到粉碎德军北方集团军群和解除德军对列宁格勒的围困；西南方向击溃德军南方集团军群，解放顿巴斯、克里木的企图也没有实现。