到１１月上半月，朱可夫指挥的西方方面军再次得到将近１０万人３００辆坦克和２０００门火炮的支援，并且增加了反坦克炮兵和喀秋莎火箭炮部队，他计划于１２月集中６个集团军实施反突击。
１９４１年的冬天是俄罗斯历史上少有的一个寒冷季节，寒流比以往年份来得更早，凛冽的寒风呼啸而至，雨雪后的大地被冻得如同铁水浇铸一般。博克明白为什么张磊一再要求所有东线德军士兵最迟不得在１１月１日之前得到冬衣的命令了；此刻，他的坦克、自推式战车、移动大炮、等一切重型武器和装备总算摆脱了泥潭的约束，可以在冰封的大地上蠕动了。１１月５日，德军对莫斯科发起直接进攻。
莫斯科以西北方向的战斗进行得尤为惨烈；１６日，德军北路突击集群纠集１６个师的兵力先后对苏军第３０集团军和第１６集团军实施突击。苏军加里宁方面军第３０集团军无力抵挡依靠“虎”式重型坦克作为先头突击力量的德军装甲集群３３０辆坦克的进攻，全线沿伏尔加河北岸撤退。
在西方方面军右翼，德军集中第３装甲集团军所属第８装甲师和“维斯瓦河”装甲集团军所属第１５、１６装甲师以及３个步兵师的兵力对苏军第１６集团军发动猛烈进攻。为了对付苏军的１５０辆Ｔ－３４中型坦克，德军投入６６０辆坦克及自行战车；苏军第１６集团军下辖第３１６步兵师、第７８步兵师、第１８步兵师、独立学员团、近卫步兵第１师，独立坦克第２３、２７、２８旅和多瓦托尔少将的骑步集团，他们都打得英勇顽强，德军每挺进一步都要丢下大量步兵尸体。在莫斯科正南和西南方向，德军占领塔普萨、图拉和卡西拉；在莫斯科西北和正北方向，１１月２３日、２４日，德军第９、第１０装甲师会同３个步兵师占领克林等地，下一目标就是伏尔加河，最后北面德军就是全线渡过伏尔加河天险，进攻莫斯科。
在朱可夫的前线司令部里，灯火通明，所有人严守岗位；朱可夫两眼死死盯着桌上的战役地图，脸上没有任何表情，他详细地分析了德军进攻的套数，意识到德军使用的战术就是自开战以来的老手段－两翼迂回包围、坦克装甲部队担任德军的开路先锋。德军对苏军的南北两线压力太大；自己的军队伤亡也极其惨重，更可怕的是苏军自己寄予厚望的Ｔ－３４、ＫＶ－１、ＫＶ－２等重型武器装备完全不是德军技术武器的对手，几乎每一次的反突击都会被德军的强大武器打下阵来，现在自己需要进一步增加人员和装备，可是人又从哪里来呢？方面军的预备队在６天前的沃洛科拉姆斯克实施反突击，由于时机不成熟和坦克等重型武器的落后，不仅没能打退德军的进攻，反而耗去了方面军仅有的预备队；现在只能绞尽脑汁来搜刮军队士兵来堵上防线的缺口。
朱可夫将地图按着战线从北至南蜿蜒地扫视着。前些日子还是自己的防守阵地，现在被德军占领，整条的战线不断地朝莫斯科方向移动，有些地区已经快要到最后极限。突然，他的目光停留在战役相对平稳的中央地段，思考道：德军中央集团军群司令官博克是个严格按照保守打ＦＡ的军官，他很有可能再次使用两翼迂回突破的老手段－要应对德军下一手的进攻就从中线把步兵抽去支援南北两翼－现在苏军唯一的优势就是步兵兵力比德军多出很多，只能靠步兵的身体去抵挡德军的钢铁战车。
在苏军最高统帅部中，斯大林正在为莫斯科面临的局势担忧，他打电话给朱可夫，开门见山地询问德军在北线的进攻情况和苏军的防守态势。朱可夫如实地告诉他德军已有部分人马渡过伏尔加河，并有可能把罗克索夫斯基的部队保卫起来的不利情况；斯大林当即要求朱可夫动用预备队守住伏尔加河，将德军赶过河去并且严令禁止苏军后退一步。可是当朱可夫告诉他已无预备兵力可用时，斯大林立刻意识到莫斯科面临的局势异常严峻，他用一种朱可夫从未听到过的低沉声音问道：“你坚信我们能够坚守住莫斯科吗？我怀着内心的痛苦问你这个问题，希望你作为一个共Ｃ党员诚实地回答。”
朱可夫做了肯定的回答，但是他请求最高统帅部至少要再给他３个集团军的兵力和５００辆坦克。斯大林同意他的第一个请求，３个集团军于１１月底抵达战区，但是坦克没有给。朱可夫下达了一个不近人情的命令－保卫莫斯科的全体官兵在１１月底之前必须坚守阵地，未经方面军司令部同意不得后退一步。
德军在莫斯科战场上完全凭借坦克的压倒性优势连续发动进攻，准备使出浑身解数冲进莫斯科过冬－在苏军第１６集团军的阵地上到处是白热化的战斗，甚至出现了德军坦克冲过苏军防线而步兵被苏军死磕的局面。古德里安也终于明白曼史坦因和莫德尔的忧虑，德军遭受前所未有的苦战，每前进一步都要遗弃大量的尸体和被击毁的坦克装甲战车。战斗持续到１１月２６日，苏军第３１６师全体官兵阵亡，德军拿下伊斯特拉，但是苏军后援部队及时赶到危急地段，再次把防线结合起来。
１１月底，德军中央集团军群集中全部可用人马和重新部署－“维斯瓦河”装甲集团军在莫斯科正北方向摆开架势进逼莫斯科；曼史坦因的第３装甲集团军在莫斯科正南从图拉北上；古德里安指挥的第２装甲集团军和克鲁格指挥的第４集团军居于战役中央，穿过莫斯科郊区森林从正面向东进攻莫斯科；博克使出所有力气，压下进攻莫斯科的最后赌注。
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