1941年11月15日，德國坦克集團軍對克林發動了進攻。克林蘇聯軍隊沒有預備隊。因為斯大林正準備在沃洛克拉姆斯克發動反擊，所有可用的預備隊集中在南部。德軍的第一次進攻企圖將兩支蘇軍分開，即切斷第16集團軍和第30集團軍蘇軍之間的聯繫。朱可夫元帥在回憶錄中說：“敵人，不顧傷亡，正在進行正面進攻，使用任何可用的手段也要攻佔莫斯科。” 儘管德國國防軍作出了巨大努力，但蘇聯軍隊的縱深防禦減少了蘇聯軍隊的傷亡，而且蘇聯第16集團軍也慢慢撤退，阻止了德國突破防禦的企圖。
經過激烈的戰鬥，德國第3裝甲集團軍終於在1941年11月24日佔領了克林，並在11月25日佔領了索爾涅奇諾戈爾斯克，但蘇聯的抵抗力頑強，結果未定。據報道，斯大林問朱可夫是否可以守住莫斯科，並命令他像一個共產黨員一樣誠實地回答。朱可夫回答說可以，但必須有預備隊增援。 11月28日，德軍第7裝甲師佔領了橫跨莫斯科——伏爾加河運河的橋頭堡。它是莫斯科市前的最後一個天然屏障，距離克里姆林宮不到35公里。但在渡河後由於遭到蘇聯第1突擊集團軍的強大反攻而被迫退回對岸。莫斯科西北部的德國國防軍抵達了希姆基的卡拉斯拉雅波利亞納村。這個村莊距離莫斯科只有20公里。德國軍官已經可以用雙筒望遠鏡看到蘇聯首都的一些主要建築物。但是此時蘇軍和德軍都精疲力盡，以至於一些旅只有150至200個步兵（一個連的足額兵力）。
1941年11月18日，德軍第2裝甲軍試圖包圍這座城市，在南部圖拉附近，戰鬥再次爆發。參加戰爭的德軍由於在先前的戰鬥中遭受了很大損失，還沒有冬季制服，因此德國人在第一次進攻中每天只前進5-10公里（3-6英里）。就像古德里安所說的“成功的機會低於正常”。 此外，德國裝甲部隊遭受位於圖拉附近的蘇軍第49和50集團軍的側擊，進一步拖延了其前進的步伐。然而，古德里安仍繼續進攻，1941年11月22日，他的部隊佔領控制了通往莫斯科的交通要道卡希拉，第二天，蘇聯軍隊進行了強大的反擊。包括第173步兵師，第9坦克旅，兩個獨立的坦克團和一個訓練與軍事學院單位。制止了在卡希拉附近的德國進攻，德國人在12月初被擊退。 圖拉本身就受到了包括士兵和平民在內的守軍的設防和保護，在南方，德國國防軍從未接近過蘇聯首都。
由於在莫斯科南北兩翼的進攻遭到強烈的抵抗，12月1日，德國國防軍對納羅-福明斯克附近的明斯克-莫斯科高速公路發動了正面攻擊。但是，這次襲擊只用了有限數量的坦克，在遭遇蘇聯的集中防禦並遭到蘇聯第1近衛摩托化步兵師和蘇聯第33集團軍的抵抗後，德軍的攻勢在4天后被擊退，並損失了10,000人和數十輛坦克。
自12月1日以來，最低溫度已降至零下20攝氏度。蘇聯軍隊仍然可以忍受，但是沒有冬衣的德國軍隊則無法忍受。 同時德軍車輛不適用於在如此寒冷的氣候下運行。 結果，德國士兵中總共報告了130,000例凍傷病例。 在使用車輛之前，必須從每一發炮彈上除去防凍劑，車輛在使用前先要熱車數個小時。
對莫斯科的進攻結束了。 古德里安在日記中寫道：“對莫斯科的攻勢失敗了，我們低估了敵人的優點，包括他的面積及天氣，幸運的是，我在12月5日下令部隊停止前進，否則大禍將無可避免。“
