1941年7月2日，铁木辛哥接过西方方面军的指挥权。西方方面军仍有近千辆坦克，虽然这些坦克几乎全部是老式的。古德里安的第18装甲师沿着奥尔沙-斯摩棱斯克汽车路进攻苏军第20集团军和第13集团军残部时，在别烈津纳河岸遭到配备有新式的T34坦克莫斯科第1摩托化步兵师猛烈的反突击。7月6日，第3装甲集群的第57装甲军，在苏军空袭下强渡德维纳河获得成功，遭到苏第22集集团军的阻击。
鲁道夫·施密特的第39装甲军在7月5日和6日被猛烈的翼侧进攻阻挡在维切布斯克的外围。发动攻击的是库罗奇金的苏军第30集团军和第5、第7机械化军。已经是一片火海的维切布斯克，被德军第20装甲师从北面包围，于7月9日陷落，但西南方锡叶诺附近苏军机械化部队防守的地区，激烈的战斗持续到7月10日。
德军统帅部命令"中央"集团军群:合围防守西德维纳河和第聂伯河地区的苏联红军，攻占奥尔沙、斯摩棱斯克、维捷布斯克地域，开辟一条通往莫斯科的捷径。古德里安指挥的德国第2装甲军团及由霍特指挥的德国第3装甲军团对苏联红军一场大型包围战：斯摩棱斯克战役拉开帷幕。
铁木辛哥的苏军西方方面军改为西部战区，此时有七个集团军，从北向南数，有：维切布斯克以北的伊萨柯夫的第22集团军、维切布斯克以东作为预备队的科涅夫的第19集团军、奥尔沙附近的库罗奇金的第20集团军、第聂伯河莫吉廖夫附近的列梅佐夫的第13集团军、南翼的格拉希缅科的(后由V·I·库兹涅佐夫指挥)第21集团军，作为预备队的卢金的第16集团军和第4集团军。据说多数集团军的人数与步兵军相差无几。
在维切布斯克-奥尔沙战役之后能作战的苏军坦克，据说只剩不到二百辆，可是苏军的兵力兵器仍比德国人想象的要多得多。 每天都有苏军增援部队开到，在斯摩棱斯克以东的后方正组建一些新的集团军。不过苏军在这一战场的处境险恶，而且每况愈下，部队的士气已被暂时击垮。
德军方面，尤其是中央集团军群，个个信心百倍，步兵更是如此。此时，有多大忍受艰辛的耐力和行军速度就有多大胜利。第52步兵师紧跟着古德里安前进，在博勃鲁伊斯克附近的森林中遇到一支隐藏着的几千人的有组织的苏军队伍及其司令部。德军小心翼翼地避免惊扰他们，急忙通过这个地区，继续向第聂伯河迈进。
德军坦克兵从战争爆发的第一天起一直在连续作战，其生命和战斗力与坦克息息相关，霍特说，他的装甲集群的伤亡一点也不比在法国作战的部队伤亡大。可是，俄国的地形和气候对人员和坦克来说要比西方恶劣得多。敌人的性格和景色的单调易使德军情绪消沉。另一影响德军情绪的因素是苏军强烈的仇恨，这是以前没有料到的。
苏联工兵埋设反坦克地雷。铁木辛哥的西方方面军的形势继续恶化。右翼侧伊萨柯夫的第22集团军现在处于孤立暴露的位置，因为它受到中央集团军群和北方集团军群的双重攻击。攻克波洛次克和涅韦耳，将向前推进到维利基卢基。苏军西北方面军和西方方面军的基石就这样被敲掉了。在南翼古德里安的第2装甲集群迈进第聂伯河，并于7月10日和11日渡河，在奥尔沙以南和新贝霍夫以北建立桥头堡。
在南翼古德里安的第2装甲集群渡过第聂伯河建立桥头堡后，开始迅速地向东方的斯摩棱斯克和克里切夫推进，追击当面的列梅佐夫的苏军第13集团军，在莫吉廖夫附近包围了四个师和第20机械化军的部分兵力。格拉希缅科的苏军第21集团军在博勃鲁伊斯克对古德里安的南翼侧发动反突击，但无进展。
霍特令鲁道夫·施密特的第39装甲军从维切布斯克东进，自北面包围斯摩棱斯克。由于第57军已调往维利基卢基，第39装甲军是霍特唯一可用的部队。 7月15日霍特的先头部队到达斯摩棱斯克以东的亚尔策沃附近。 次日，古德里安的第29摩托化步兵师从南面占领斯摩棱斯克。 德军对奥尔沙与斯摩棱斯克之间的苏军差不多已完成合围。
在亚尔策沃与斯摩棱斯克之间，通往莫斯科的主要公路以南还留有一个缺口。尽管霍特不断催促，古德里安还是不能封住缺口，因为他的主要兵力向南伸展过远，而且不断遭到反突击，在耶耳尼亚突出部，反击尤为猛烈。苏军卢金的第16集团军和库罗奇金的第20集团军的大部兵力(据德方估计约十到十五个师)同大量的小分队和掉队的士兵被围在斯摩棱斯克口袋内，正在设法突围。苏军最高统帅部即奋力援救被围的苏军和掩护莫斯科的接近地。
为减轻铁木辛哥重担，使他能集中力量解救被围的部队，西方方面军南翼的第13和21集团军被抽调出来。 7月14日，苏军最高统帅部又着手建立另一个预备方面军，守卫北起伊耳缅湖南至布良斯克的新战线。这个预备方面军由司令员波格丹诺夫指挥，编成内有新编第29、30、24、28和31集团军。在这些集团军后面，还有一个方面军保卫莫斯科。它由第32、33和34集团军组建起来的，由莫斯科军区司令员阿尔捷米耶夫指挥。
从波格丹诺夫的预备方面军调到前方十六个步兵师和四个坦克师，组成数个临时的战术兵团，其中之一由罗科索夫斯基指挥。它们从别累伊、亚尔策沃和罗斯拉夫耳向斯摩棱斯克方向进行反突击，企图闯入包围圈。西方方面军部署在斯摩棱斯克以北和耶耳尼亚的第30、19和34集团军也发动攻击，转移德军的注意力。反突击持续了整整7、8两个月。
德军战线已呈弧形。它南起贝霍夫，经罗斯拉夫耳到耶耳尼亚和别累伊向外突出，然后折向北面的维利基卢基附近地域。德军两个装甲集群和施特劳斯第9集团军的部分兵力既要顶住铁木辛哥西方方面军的进攻，同时还要防止被围之苏军突围。在斯摩棱斯克以东，有些地方苏军几乎突破包围，卡恰洛夫的第28集团军发起突击，获得进展，古德里安指挥第24装甲军和第7步兵军进行反击。 一当德军步兵部队开始到达，战斗结局就确定无疑。
8月5日，斯摩棱斯克包围圈中的苏军停止最后抵抗，约30万人被俘，损失坦克三千余辆。三天后，古德里安又肃清罗斯拉夫耳包围圈内苏军，主要是第28集团军，又俘虏苏军38000人，缴获坦克二百辆。然后德军第24装甲军又挥戈南下，直奔苏军中央方面军的后方。第24装甲军从北部向克林齐进攻，魏克斯的第2集团军从博勃鲁伊斯克向东进攻，两路德军全歼了中央方面军。到8月24日，苏军又有78000人被俘。
从7月8日明斯克战役结束到9月初西方方面军覆灭，德军中央集团军群共俘虏苏军约40万人，击毁并缴获苏军坦克3300余辆。 不过苏方史料称，罗科索夫斯基的集群在8月4日和5日曾突入斯摩棱斯克包围圈，使被围部队的主力得以逃脱。事实并非如此。
中央集团军群完成了分配给它的任务，它向前推进了五百英里，直至斯摩棱斯克，远远超过德维纳-第聂伯河一线，离莫斯科约二百五十英里。它消灭了白俄罗斯地区的苏军，俘虏苏军约六十万，摧毁并缴获坦克五千余辆。 可是，在9月份，从列宁格勒到黑海的整个前方地域，苏联部署的部队仍有二十七个集团军之多。
由于斯摩棱斯克交战是在近650公里的正面和近250公里的纵深展开的，德国军队作战部队异常疲惫，停止了向莫斯科的推进，而暂时转入防御休整。苏联红军统帅部为准备莫斯科防御和尔后在莫斯科会战中粉碎德国军队赢得了时间。事实上根据德军统帅部的命令，巴巴罗萨指令和以后的各项作战计划是以下述前提为基础的，即一旦到达斯摩棱斯克，德军主要兵力将转向列宁格勒，可能还转向乌克兰。
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