1942年1月5日，斯大林向红军发出指示：不给德寇任何喘息的机会，不停顿地把它们向西驱赶。
1月8日，苏波罗的海舰队、黑海舰队的舰桅高昂，海军战士将炮弹填进了炮膛，莫斯科郊外野战机场上的战鹰满载航空炸弹，振翅待飞。从列宁格勒城外雪深齐腰的森林，到莫斯科以西冰封的大地，从静静的顿河流淌过的乌克兰平原，到黑海北岸的克里木岛，苏军在这条纵贯南北的战线上，9个方面军110多万将士正在整装待发，收复失地大总攻的战幕即将拉开。
随着红色信号弹飞上天空，威力巨大的“卡秋莎”首先发出了惊天动地的怒吼，一时之间从空中到地面雷声滚滚、火光冲天，苏军的全线总攻开始了。
总攻首先以加里宁方面军实施的瑟乔夫卡-维亚兹马战役开始。这一战役也是勒热夫-维亚兹马进攻战役的一部分。进攻的第一天，方面军的第39集团军就在勒热夫以西突破德军防御，至1月21日挺进80公里至90公里，前出至德军第9集团军勒热夫集团的后方。26日清晨，方面军的第22、第29集团军即在奥列尼诺包围了德军约7个师。骑兵第11军从正面突至维亚兹马，并切断了维亚兹马-斯摩棱斯克公路。
西方面军以9个集团军和2个骑兵军实施的勒热夫-维亚兹马进攻战役，1月10日开始发起攻击。方面军的右翼第1突击集团军第20和第16集团军在突破德军沃洛科拉姆斯克防线后，于17日切断了莫斯科-勒热夫铁路。方面军中线部队第5、第33集团军于1月20日收复莫扎伊斯克；第43集团军则向尤赫诺夫方向进攻。方面军左翼的第49、第50集团军和近卫第1军、第10集团军从北面和南面迂回包抄了由德军第9集团军约9个师组成的尤赫诺夫集团，这就使苏第33集团军和近卫骑兵第1军分别在尤赫诺夫以北及其以南突入德军后方，并开始向维亚兹马展开攻击。为配合正面部队围歼维亚兹马的德军，苏军还从1月中旬至2月中旬先后在维亚兹马东南地域，以空降第201旅、第8旅和第4军主力1万多人实施了空降。到4月20日左右，苏军又向西推进了100公里至350公里，收复了莫斯科州、加里宁州、图拉州等莫斯科以西大部地区。希特勒占领莫斯科的企图完全化为了泡影。
1942年4月，暖流融化了伏尔加河的坚冰，解冻的土地开始散发出浓郁醉人的春天气息，随着春季泥泞时期的到来，苏军开始转入防御。至此，莫斯科保卫战以苏军的伟大胜利而告结束。在此战役中德军损失官兵50余万人（其中冻死冻伤10万余人），坦克1300辆，火炮2500门，汽车1.5万辆。
莫斯科保卫战的胜利，在20世纪世界战争史上具有重大的政治和军事意义，它不仅粉碎了希特勒闪击速胜的企图，在第二次世界大战中使德军第一次遭到重大失败，为战争形势的根本扭转奠定了基础，从而成为20世纪“一个冬天的神话”。战争的胜利使德军“不可战胜”的神话破灭了，给苏联人民以极大的鼓舞，坚定了夺取最后胜利的信心，同时，也给世界反法西斯斗争的各国人民以巨大鼓舞，促进了世界反法西斯统一战线的形成和发展，为最后战胜法西斯，取得第二次世界大战的胜利奠定了基础。