После судьбоносных решений фюрера относительно переброски танковых дивизий с центрального направления (на Киев, на Ленинград и обратно), в сентябре Гитлер решил таки сосредоточить все силы (и почти все подвижные части) на главном направлении - на Москву. Однако из-за многокилометровых бросков танковые дивизии нуждались в значительном пополнении и ремонте. 30 сентября три танковые и три пехотные армии были готовы к наступлению. Танковые дивизии были пополнены материальной частью. Пехотные дивизии также получили значительное подкрепление, но их численность была уже не такая, как в начале кампании. Укомплектованность артиллерией была практически полная. Она обеспечивала пехоте ударную силу. Для проведения операции "Тайфун" командование подготовило три танковые армии (3-я, 4-я, 2-я) и три общевойсковые армии (9-я, 4-я, 2-я).

Для обороны Москвы советским командованием было сформировано три фронта - Западный (генерал-полковник Конев), Брянский (генерал-лейтенант Еременко), Резервный (Маршал Буденный) фронты. Всего в трех фронтах насчитывалось 1250 тысяч человек, 990 танков, 7600 орудий, 670 самолетов. Основные силы сосредотачивались на Западном фронте.

Наступление немецких войск началось с удара из района Путивля 2-й танковой армии Гудериана 30 сентября. Танковым дивизиям Гудериана предстоял самый дальний путь. При поддержки авиации танковая армия должна была как можно быстрее достигнуть Орла. Прикрывая свой правый фланг, к 3 октября задача была выполнена. При этом ударные соединения с юга охватывали группировку советских войск в районе Брянска. 2 октября по приказу Ставки был образован 1-й гвардейский корпус, задачей которого было задержать продвижение противника и обеспечить выход окружаемых войск Брянского фронта. После захвата Орла 24 танковый корпус 2-й танковой армии Гудериана вышел в тыл Брянского фронта. В районе Мценска 24-й танковый корпус был задержан на некоторое время 1-м гвардейским корпусом, что дало возможность некоторым соединениям вырваться из окружения. Часть войск 13-й и 3-й армии, которые оборонялись против 2-й армии в районе Брянска, оказались в окружении.

2 октября другие армии группы "Центр" при поддержки 2-го и 4-го воздушных флотов начали наступление против Западного фронта. 2-я и 4-я армии вместе с 4-й танковой армией начали наступление и проделали по обе стороны Рославля широкие бреши, окружая две большие группировки советских войск: в районе Брянска и в районе Вязьмы. К 14 октября в окружении оказались две группы войск восточнее и южнее Брянска - 13-я, 3-я и часть 50-й армий.

Севернее, в районе Вязьмы, части 4-й танковой и 3-я танковая армии окружали группировку советских войск около Вязьмы. К 7 октября кольцо окружения практически замкнулось. 24-я и 32-я армии Резервного фронта оказались в окружении западнее Вязьмы. Кольцо окружения подвергалось сильному давлению советских войск. Правым крылом наступления 4-я танковая армия продвигалась на Юхнов и Калугу. В районе Калуги оборонялась 5-я стрелковая дивизия и некоторые части отошедшей 43-й армии. В районе Юхнова на реке Угре героически сражался отряд Старчака и отряд подольских курсантов военных училищ. В районе Малоярославца держали оборону курсанты артиллерийского и стрелково-пулемотного училищ Подольска. Окруженные армии под Вязьмой продолжали сражаться. Общее командование поручалось командующему 19-й армией. Но кольцо окружения около Вязьмы захлопнулось прочно и к 13 октября котел был очищен. В сводке германского командования говорилось о 663 тысячах пленных, 1242 танках и о 5412 орудий (цифры несколько завышены) за время наступления.

10 октября Западный и Резервный фронты были объединены.

Используя широкие бреши в обороне противника, немецкие войска вышли на рубеж Мценск, Калуга, Бородино, Калинин. Авиация совершала интенсивные налеты на Москву. Над столицей России нависла угроза. Танковые и пехотные части повсюду рвались к Москве. В районе Бородино с 10-й танковой дивизией и дивизией СС "Рейх" вела бой 32-я стрелковая дивизия полковника Полосухина. В самой столице было введено осадное положение. Во избежание паники несколько стрелковых полков НКВД по личному приказу Берии вошли в город. Паникеров и просто пьяных расстреливали на месте. Началась эвакуация зарубежных представительств в Куйбышев. Обороной Москвы стал руководить Жуков.

Нужно было срочно создать оборону на рубеже Волоколамск - Можайск - Малоярославлец - Калуга. 7 октября из резерва Ставки началась переброска новых дивизий на этот рубеж. Практически заново укомплектовывались 16-я, 5-я, 43-я, 49-я армии. На московское направление перебрасывались новые авиаполки. На угрожающих участках строилась глубоко эшелонированная противотанковая оборона, создавались противотанковые опорные пункты и районы. С 1 по 15 ноября Западный фронт получил в качестве пополнения 100 тыс. солдат и офицеров, около 300 танков и 2 тыс. орудий.

Еще 6 октября выпал первый снег. Может после победы под Вязьмой и Брянском ударная сила немецких армий была бы еще достаточной, если бы не резкое ухудшение погоды. Плохое качество дорог ухудшилось еще больше. Но напряжением всех сил немецким дивизиям удалось возобновить наступление. 2-й танковой армии Гудериана удалось 29 октября подойти вплотную к Туле. В центре был достигнут рубеж советской обороны: Алексин, Можайск, Волоколамск. Затем наступила настоящая распутица. Немцы понимали, что у них каждый день на счету. Сильно поредевшие танковые и моторизованные дивизии застревали на "дорогах". Но немцы торопились. 1-я танковая дивизия захватила Калугу. Танковая армия Гудериана не могла захватить Тулу.

На военном совещании только командующий группы армий "Центр" фон Бок высказался за продолжение наступления. От верховного командования поступил приказ о возобновлении наступления 17 ноября. Встретив сильное сопротивление в Туле, Гудериан решил обойти город с востока. В этих условиях Военный совет фронта принял решение усилить каширский боевой участок 112-й танковой дивизией полковника Гетмана; рязанский боевой участок - танковой бригадой и другими частями; зарайский участок - 9-й танковой бригадой, 35-м и 127-м отдельными танковыми батальонами; лаптевский участок - 510-м стрелковым полком и ротой танков.

Танковая армия Гота на правом фланге наступления прорвалась к каналу Москва-Волга. 2-я танковая армия должна была окружить Москву с юга и юго-востока, 3-я и 4-я танковые армии - с севера и северо-востока. 4-я армия должна была вести фронтальное наступление. 2-я армия и 9-я танковая армия должна были прикрывать фланги. С 16 ноября танковые дивизии немцев начали наступление из района Волоколамска. На истринском направлении наступали две танковые и две пехотные дивизии. Здесь отличилась 316-я стрелковая дивизия Панфилова. Но немецкие дивизии наступали и не считались с потерями. Танки рвались к Москве, круша все на своем пути. На южном направлении противник начал наступление 18 ноября. Против 50-й армии наступали 3-я, 4-я и 17-я танковые дивизии. Советские части сражались храбро, но уже 21 ноября танковые части Гудериана заняли Сталиногорск, что создавало реальную угрозу окружения Тулы.

26 ноября 3-й танковой дивизии Гудериана удалось перерезать железную дорогу Тула-Москва, но 1-й гвардейский кавалерийский корпус Белова и 112-я танковая дивизия не дали немцам продвинуться дальше. На помощь был срочно переброшен 15-й гвардейский минометный полк. 27 ноября 112-я танковая дивизия, 173-я стрелковая дивизия и 1-й гвардейский кавалерийский корпус нанесли удар по наступающим немцам, которые были вынуждены отступить на юг на 10-15 километров в сторону Венева. На этом участке наступления противник перешел к обороне.

Двум другим танковым армиям удалось продвинуться в районе Клина за железную дорогу, ведущую к Москве. Передовые дивизии подошли к Красной Поляне и Дмитрову и создали плацдарм на восточном берегу канала Москва-Волга. Вечером 29 ноября, воспользовавшись слабой обороной моста через канал Москва-Волга в районе Яхромы, танковая часть противника захватила его и прорвалась за канал. Здесь она была остановлена подошедшими передовыми отрядами 1-й ударной армии, которой командовал генерал-лейтенант В. И. Кузнецов, и после ожесточенного боя отброшена обратно за канал. Наступавшая в центре 4-я армия, вышла в район Голицино в 40 км от Москвы, но и там наступление было остановлено. В конце ноября фельдмаршал фон Клюге предпринял последнее наступление. Он направил крупные силы прямо по Минскому шоссе, где им удалось прорвать оборону. 1 декабря немцы прорвались в центре фронта на стыке 5-й и 33-й армий, и двинулись по шоссе на Кубинку. У деревни Акулово им преградила путь 32-я стрелковая дивизия. Тогда танковые части повернули на Галицино, где были окончательно разгромлены резервами 5-й и 33-й армий. Уже 5 декабря армия отошла назад.

Во время наступления резко ухудшилась погода. Моторы танков и самолетов заводились с большим трудом. Солдаты почти не имели зимнего обмундирования. Резко возросло количество обмороженных. Из допроса пленных было установлено, что в ротах оставалось по 20-30 человек. За 20 дней второго этапа наступления на Москву немцы потеряли около 155 тыс. человек, около 800 танков, сотни орудий. Резервов для пополнения у Германии не было. Наконец, 6 декабря Гитлер отдал приказ прекратить наступление на Москву. Цель наступления - захватить Москву - провалилась. Красная Армия ввела в бой не все силы. За линией фронта сосредотачивались свежие армии. И простой незначительный отвод своих войск не мог спасти группу армий "Центр". Настало время Красной Армии наступать.