儘管德國國防軍的攻擊被制止，但德國情報機構估計，由於蘇軍缺乏儲備，蘇聯軍隊無法進行反擊，但這一估計被證明是錯誤的。斯大林動員了一些從西伯利亞和遠東到莫斯科戰線的新師，同時，根據蘇聯間諜理查·佐爾格的情報，日本帝國不會進攻蘇聯。當朱可夫和華西列夫斯基提出的進攻獲得斯大林的批准時，紅軍在12月初投入了58個師師的預備隊。參與反攻行動的蘇軍總數只有110萬，略高於國防軍。但是，精心部署在某些關鍵位置已經實現了二對一的優勢。 1941年12月5日，加里寧方面軍發動了反攻。在略有進展的兩天後，蘇軍收復卡拉斯拉亞波利亞納及莫斯科附近地區的數個其它城市。
當天，希特勒簽署了第39號命令，並命令德國國防軍轉入全面防禦。但是，德國人無法在目前的位置上建立有效的防禦，因此不得不撤離以重組前線，古德里安寫道，他曾與漢斯·施密德和沃爾弗拉姆·馮·里希特霍芬同時進行了討論，並同意他們無法堅守當前的前線。 12月14日，弗朗茨·哈爾德和馮·克魯格最終同意在未經希特勒批准的情況下向西面的奧卡河有限的撤退。 在1941年12月20日與德國高級指揮官會面期間，希特勒取消了撤軍令，命令士兵們留在土地的每個角落，並在必要時隱藏榴彈炮。古德里安表示反對，指出寒冷造成的損失實際上比戰鬥損失更多，由於波蘭的交通問題，冬季設備的運輸不得不停止。 相反，希特勒堅持堅守現在的戰線。古德里安在聖誕節當天被撤職。第4裝甲集團軍及第9集團軍司令埃裡希·赫普納、阿道夫·斯特勞斯和費多爾·馮·博克亦被解任，官方理由是身體原因。德軍陸軍總司令瓦爾特·馮·布勞希奇也於1941年12月19日辭職。
同時，蘇聯的進攻仍在繼續。北部的克林及加里寧分別於12月15日和12月16日獲釋，但加里寧方面軍繼續向西試圖包圍德國中央軍集團群，但在熱澤夫遭到頑強抵抗使他停止前進，直到1943年形成了一個突出部。在南面攻勢則比較暢順。蘇聯西南方面軍在1941年12月16日為圖拉解圍。
德國空軍進行了增援，希特勒認為這是挽救戰爭的唯一希望。兩個重組的轟炸大隊（第2航空隊的第4轟炸大隊及第30轟炸大隊）從德國飛到前線，同時4個運輸大隊得到了由第4航空隊派來的102架Ju 52運輸機，這將用以撤出德國陸軍單位及改善對前線部隊的補給。這是最後的努力獲得了回報。在德國空軍的幫助下，防止了中央集團軍群的潰敗。
德國空軍盡了最大的努力，但是蘇聯的空中優勢為紅軍在莫斯科的勝利做出了重要貢獻。從12月17日至12月22日，德國空軍在圖拉附近摧毀了299輛摩托車和23輛坦克，干擾了紅軍對德國人的追擊。但是在中路，進展要慢得多，蘇軍在襲擊發生後的12月26日解放納羅-福明斯克、12月28日解放加里寧、1月2日解放小雅羅斯拉夫韋茨。由於蘇聯預備部隊人數的減少，在1942年1月7日停止了反擊。反攻令筋疲力竭及凍傷的德國軍隊從莫斯科撤退了100-250公里，這一勝利極大地提高了蘇聯的士氣，並且是德國國防軍的首次戰敗。由於未能迅速征服蘇聯，德國不得不為長期戰爭做準備，巴巴羅薩行動宣告失敗。
