早在1941年7月，苏联国防委员会就决定在莫斯科以西构筑一条防线，这条防线以距离莫斯科约100公里的小城莫扎伊斯克命名，从北至南以沃洛科拉姆斯克、莫扎伊斯克、小雅罗斯拉韦茨和卡卢加为核心支撑点，控制住莫斯科以西的四条通道。苏军统帅部专门成立“莫扎伊斯克方面军”，由莫斯科军区司令阿尔杰米耶夫中将指挥。所辖部队初期包括几个民兵师和内务部的2个师。
8月中旬，前线战局吃紧，“莫扎伊斯克防线”上的部队陆续划归预备队方面军和西方面军。9月初，这里的部队几乎全部调离，只剩下几个机枪营和喷火连，构筑防线的工程已经停顿，甚至已经完成的工程也没有人负责维护。
9月下旬，随着战线距离莫斯科越来越近，“莫扎伊斯克防线”又加快了施工进度。10月初，统帅部组建工兵集团军，下辖3个工兵旅，每个旅19个营。类似这样的工兵集团军在战争期间先后组建了10个，这在战争史上绝无仅有。
当德国人在维亚济马合围苏军西方面军4个集团军，在布良斯克合围苏军布良斯克方面军主力时，“莫扎伊斯克防线”的工程进度为：完成55%永备火力点；100%土木火力点；85%防坦克壕，以及500公里铁丝网和95公里崖壁。防线上的兵力有所增加，共40个营，相当于4个师的兵力。而根据苏军的计算，扼守这个防线的兵力总共需要17个得到加强的步兵师。
10月5日，斯大林得知德军坦克集群已经冲到了尤赫诺夫，立即给莫斯科军区司令员阿尔杰米耶夫打电话，命令他不要瞻前顾后，马上调动一切力量都派往莫扎伊斯克防线，后者立即把莫斯科地区的军校学员和司令部机关组织起来，拉到前线。
1941年10月8日凌晨2时30分，朱可夫在西方面军司令部连夜给斯大林打电话，商定立即向“莫扎伊斯克防线”注入更多的兵力。此后陆续从前线退下来的约5个步兵师部署在防线里，统帅部还从西北方面军调来第316步兵师（即“潘菲洛夫师”），从西南方面军调来近卫第1摩托化师。
此外斯大林决定采信苏联著名间谍佐尔格提供情报——日本政府决定不与苏联交战，从远东抽调第30、第32步兵师，之后又从远东抽调了1个步兵师和2个坦克师。
不过上述大部分部队的调动都需要时间，所以前线的危险局面在短期内还是没有缓解。至10月10日朱可夫接管西方面军指挥权时，莫扎伊斯克防线上也仅有45个营的兵力。
1941年10月6日，德军第4装甲集群所属第57摩托化军曾向莫扎伊斯克防线上的小雅罗斯拉韦茨发动了一次试探性的进攻。进攻部队由1个摩托化团、3个炮兵营、1个工兵营和1个轻型坦克连组成，任务是在乌格拉河上抢占一个渡口，作为集群向莫斯科城进攻的桥头堡。
幸运的是由莫斯科“波尔斯克炮兵学校”学员和一支苏军伞兵在6日这一天刚刚抵达，并迅速投入了战斗。他们在付出100多人伤亡的代价下，阻止住了德军的进攻，据说德国人在战场上遗尸300多具以及5辆坦克残骸。
此时德军将大部分兵力用于围歼维亚济马包围圈里的苏军，10月10日前没有再向莫扎伊斯克防线发动大的进攻。借着这段短暂而宝贵的时间，苏军新援部队陆续抵达。苏维埃最高军事学校、第1炮兵学校的学员兵和第316步兵师进入防线北端的沃洛科拉姆斯克，沿拉马河、鲁扎河一线布防；莫斯科军政学校、军事工程学校的学员，第32、第133步兵师以及第18、第19和第20坦克旅进入防线中段的莫扎伊斯克；第312步兵师、第17坦克旅进入小雅罗斯拉韦茨；近卫第5步兵师进入卡卢加。
10月12日，原西方面军撤下来的部队也抵达防线，其中罗科索夫斯基率领的第16集团军司令部和他带出来的第18民兵师接管了沃洛科拉姆斯克一段的防御，并将所有在这一地区的部队（包括“潘菲洛夫师”）纳入第16集团军的战斗序列。
在莫扎伊斯克的部队组建第5集团军，由列柳申科少将统一指挥。在小雅罗斯拉韦茨的部队编入第43集团军战斗序列，由集团军司令员戈卢别夫少将指挥。在卡卢加的部队则划入了扎哈尔金的第49集团军。
上述兵力合计有9万多人、500多辆坦克（KV型和T-34型共257辆）。此外统帅部从外高加索调来了2个航空师，加上从西北方面军和莫斯科军区抽调的部分兵力，朱可夫手上的作战飞机达到344架，416名经验丰富的飞行员，其中118名飞行员可以在夜间和复杂气象情况下升空作战。
在防线以北的加里宁方向，原西方面军的第22、第29、第30和第31集团军填补了莫扎伊斯克防线和西北方面军之间的空隙。朱可夫上报统帅部，请求将上述四个集团军统一交给西方面军副司令员科涅夫指挥，得到了斯大林的批准。
在防线以南，由从布良斯克撤出来的第50集团军，以及由近卫第1步兵军（即“第1特别警备步兵军”）扩编成的第26集团军负责防御，但这两个集团军不归朱可夫指挥。
同样在10月12日，苏军统帅部决定，在莫扎伊斯克防线的身后，再构筑一道防线。为此25万莫斯科平民（大多数是女性）被动员起来，承担了修筑工事的任务。
德国在维亚济马合围圈形成后就已经开始庆祝胜利了。陆军军需部长瓦格纳在1941年10月5日的私人信件中写道：“现在我们的大军如潮水般滚滚向前，直奔莫斯科。给我们的印象是俄国的最后垮台就在眼前，今晚克里姆林宫就要卷起行李跑路了。”
瓦格纳还不忘恭维了一下“我的元首”，他写道：“我总是对元首的军事判断力惊叹不已。这次又是他进行了干预，而且人人都承认，他的干预起到了决定性的作用。迄今为止每次他都是对的，南方的胜利也应归功于他一人。”
德军统帅部作战部长约德尔在10月8日表示：“毫不夸张地说，我们已经最终赢得了战争！”同一天爱写日记的哈尔德记录道：“敌人还要调来更多部队保卫莫斯科，特别是从北面。但是从各地匆忙聚集起来的部队并不足以排除德军攻势带来的威胁。因此只要指挥和天气没有问题，我们能够成功包围莫斯科。”
希特勒本人也觉得胜利在望，而且他的乐观情绪来得比其他人更早。10月3日，他出席了柏林的一场活动，对在场的人们说：“今天我宣布，我毫无保留地宣布，东方的敌人已经被打败。他们再也站不起来了，在我们的部队后方，已经有了相当于我在1933年执政时德意志国家幅员两倍的土地。”
希特勒参加完活动后就立即飞回了东普鲁士的拉斯滕堡，开始落实对苏联人的“最后一击”。10月7日，他给博克下达命令：不接受莫斯科投降，也不要进入这个城市，而是要像对待列宁格勒那样，先包围起来，然后用大炮和飞机将他们毁灭。同时在莫斯科包围圈中还要保留几个小缺口，以便莫斯科市民逃到苏联东部，去制造更大的混乱。
希特勒的这一命令并非完全站在军事角度，所以跟中央集团军群司令冯·博克的原计划有些相悖。后者本打算用手上的3个步兵集团军和3个装甲集群向莫斯科发动直线进攻，即南翼的第2装甲集群直取图拉，中路的第4装甲集群进攻卡卢加和小雅罗斯拉韦茨，北翼的第3装甲集群则进攻莫扎伊斯克和沃洛科拉姆斯克。
陆军总司令布劳希奇大体同意博克的方案，但他认为中央集团军群和北方集团军群的空隙太大，可能被苏军抓到机会。所以他建议北翼的第3装甲集群和第9集团军北上，夺取勒热夫、瑟乔夫卡，然后再夺取莫斯科以北的加里宁和克林。布劳希奇的方案更符合希特勒“不要直接占领莫斯科”的要求，所以德军最终制定的作战计划最终确定为：
古德里安的第2装甲集群向莫斯科东南迂回，霍特和赫普纳的第3、第4装甲集群向莫斯科东北方向迂回，第4集团军则从正面牵制苏军，待德军装甲集群在莫斯科以东会合时，就会顺利完成对莫斯科的包围圈。同时，第9集团军北上加里宁，第2集团军南下库尔斯克，这两路的行动目的是维持中央集团军群同北方集团军群、南方集团军群的联系，保证中央集团军群的侧翼安全。
当时这个作战方案出台时，没有人觉得不妥。前线和统帅部考虑作战计划时都在基于一个“事实”——苏联已经垮台在即，不必在细节上浪费时间争论，关键是尽快发动攻势，获得彻底胜利。
德国人太乐观了。他们的兵力的过于分散，很快就被苏军越来越激烈的抵抗挡住了前进的步伐。
10月9日，战斗首先在北翼打响。德军第9集团军从维亚济马合围圈中抽调6个师又1个旅（3个步兵师、2个装甲师、1个摩托化师和1个摩托化旅）开始北进。
10月10日，第9集团军突破苏军第31集团军防御，第6步兵军于10月14日攻入勒热夫，并在伏尔加河夺取了一座完好无损的大桥。此时苏军在这里的防御还很空虚，从莫斯科开出来的1000辆卡车搭载着部队和物资抵达加里宁，德军第1装甲师也同时冲了过来，双方随后展开了激烈的巷战。
防守加里宁城的本应是科涅夫的部队，但他们还没有来得及展开，与德军激战的是苏军西北方面军参谋长瓦杜丁指挥的部队。苏军于10月17日丢掉了加里宁，但瓦杜丁又集结了1个步兵师、1个坦克旅（29辆T-34和32辆轻型坦克）和1个摩托化团挡住了德军继续前进的道路。在10月17日的一次坦克交战中，苏军第8坦克旅和刚刚赶到的第21坦克旅（61辆坦克）打掉了德军第1装甲师的一个战斗群，德军指挥官和他的装甲车被一并击毁。
德军后续部队也陆续赶到，第41摩托化军（军长莫德尔）和第6军继续向东北进攻，苏军的坦克则试图冲进加里宁。第41摩托化军参谋长后来回忆：“当时德军损失严重，各部队员额迅速减少，如果不是第129步兵师及时赶到，德军差点守不住加里宁东南的伏尔加河西岸。桥头堡内弹药物资补给困难，只好依靠第8航空军的运输机。采取的模式是：运输机带来弹药和油料，返程时带走伤员。”
苏联人也记录了加里宁的战斗场面：一辆T-34闯进了加里宁，撤出时车体上血迹斑斑，挂着德军制服的碎片。
同样在10月17日这一天，苏军统帅部下令成立加里宁方面军，辖原西方面军的第22、第29、第30和第31集团军，并给这些部队调去了3个步兵师、2个骑兵师、1个摩托化师、1个坦克旅的新援，为了守住莫斯科北接近地，斯大林还把5个航空团交给了方面军司令员科涅夫。
利用瓦杜丁为他争取到的时间，科涅夫迅速构筑了一条防线。这条防线以伏尔加河加里宁段为核心，向西延伸140公里至谢利扎罗沃，与西北方面军防线相连；向南延伸50公里至图尔吉诺沃，与西方面军第16集团军防线相连。由于防线相对较短，科涅夫不仅有足够兵力守住防线，还能不断向德军发动反击。
10月18日，德军第1装甲师从加里宁桥头堡出击，试图夺取伏尔加河北岸的交通枢纽托尔诺克，但他们在公路两侧遭遇苏军第8坦克旅的伏击。随后科涅夫投入2个步兵师向德军反击，至10月22日，第1装甲师不仅没有拿下托尔诺克，还在苏军的反击下步步后撤，不得不呼叫增援。德军出动3个大队的空军对苏军实施空中打击，这才遏制住了苏军的攻势。10月29日，苏军卷土重来，冲到了加里宁机场附近，并架起大炮对机场猛轰。驻扎在机场的德国空军仓皇逃离，一架满载人员的J-52运输机被苏军炮弹直接命中。
德军 9集团军的进攻被遏制住了，这样一来中央集团军群在正面的进攻不得不有所顾忌，因为他们的左翼并不安全。
在莫扎伊斯克防线的南翼，古德里安的进攻发起时间整整晚了半个月。自“台风”行动开始以来，第2装甲集团军（1941年10月6日，第2装甲集群正式升级为第2装甲集团军）的战绩高开低走。10月初，第2集团军的一个装甲军攻入布良斯克，与第2集团军一道围住了苏军的两个集团军。同时古德里安的另外两个摩托化军继续向莫斯科方向挺进。
10月3日，德军攻占奧廖尔，然后向姆岑斯克进发。在准备渡过乌格拉河时他们被苏军挡住了去路。德军的当面是由军校学员和伞兵组成的轻步兵，他们只是抵挡住了德军的先头部队，如果德军的坦克杀过来，这些人无论如何是招架不住的。此时列柳申科正负责这一带的防务，他带来了第4和第11坦克旅。其中指挥第4坦克旅的是日后近卫第1坦克集团军司令员卡图科夫。
10月4日，第4坦克旅趁夜色在德军行进路线上设下埋伏，他们还得到了1个高炮营和1个空降营的支援（总兵力2000多人）。进入伏击圈的是德军第4装甲师，他们在毫无准备的情况下遭遇打击，当场就有11辆坦克被炸起火。得了便宜的卡图科夫也不敢恋战，迅速撤离了战场。
次日清晨，吃亏的德军第4装甲师重新组织进攻，很快就突破了苏军的反坦克炮阵地，并继续向苏军纵深防线推进。这时苏军第4坦克旅的T-34坦克再次开火，几辆德军坦克被击中起火。当德军慌忙寻找苏军坦克踪迹时，卡图科夫命令部队迅速撤离了战场。
遭遇两次打击的德军第4装甲师判断这里有苏军的主力部队，所以向后撤了一公里，将坦克密密麻麻的排列在一片洼地，准备重新集结再组织进攻。无独有偶，一个“喀秋莎”火箭炮营增援给了卡图科夫，他此前还没有听说过“喀秋莎”的大名，而且列柳申科还警告他只能给第4坦克旅一次机会，随后火箭炮营就要撤离战场。
战后卡图科夫回忆了那天“喀秋莎”齐射的场景：“大地随着爆炸的轰鸣而震动。巨大的火焰从起火燃烧的车辆和引起自爆的弹药处向空中升起。老远老远就听到了希特勒匪徒绝望的惨叫声。事后侦察兵在洼地里没有找到一个活人。”
对于这场战斗，古德里安在回忆录中语焉不详，苏军公布的战果是击毁德军坦克43辆、反坦克炮16门、消灭德军500多人。己方则只损失了6辆坦克。
姆岑斯克的遭遇严重影响了第2装甲集群的士气，战场亲历者、第4装甲师坦克战斗群指挥官埃贝巴赫上校（此人后来历任第4装甲师师长、第48装甲军军长和西线装甲集群司令）在报告里着重介绍了苏军T-34坦克更优异的性能。
第2装甲集团军不仅士气低落，后勤补给也出了大问题。泥泞的道路是主因，古德里安的坦克兵们不得不停止了进攻。10月22日，第2装甲集团军重新出发，向图拉发动进攻。
此时卡图科夫的第4坦克旅已经北调，只留下了第11坦克旅，即便如此德军的进展依旧不大。10月25日，古德里安调整部署，打得第50集团军节节败退。至10月29日，第2装甲集团军推进到了距离图拉城仅3公里的地方。
图拉是莫斯科的南大门，距离首都180公里。当德军逼近时这里的防务极度空虚，没有一个成建制的部队，只有叶尔马科夫的第50集团军司令部设在这里。不过就像其他地段一样，苏联人似乎有用之不尽的增援部队，内务部的1个团、图拉城里组成的1个工人团、第260步兵师残部和1个高炮团迅速抵达。图拉州第一书记组织城里的居民则为部队紧急构筑了三道防御工事。
当德国人的坦克冲过来时，苏联人用廉价的燃烧瓶一次次点燃了古德里安宝贵的坦克。高炮团把85毫米高射炮改为平射，巨大的威力陆续打掉了德军20多辆坦克。在一次突袭中，“大日耳曼”团的60多名德军闯进了图拉，却很快被苏联人赶了出去。这是德国人在战争期间唯一一次攻入图拉城区。
至10月30日，埃贝巴赫连续组织了5次进攻，都被装备低劣的苏军打了回去。德国人没有放弃，他们清楚苏军凭借那点儿实力终究抵挡不住钢铁洪流。就在这个节骨眼上，苏军第32坦克旅开到图拉，这支部队由5辆KV重型坦克、7辆T-34中型坦克、22辆T-60轻型坦克和一个拥有960名战斗兵的超额步兵营。在战斗进行到关键时刻，这支实力并不算强的援兵发挥了决定性作用，德国人被打退了。
最残酷激烈的战斗发生在正面的莫扎伊斯克防线，苏军4个集团军9万多人面对的是德军第4集团军和第3、第4装甲集群。自10月10日开始，防线从北至南的沃洛科拉姆斯克、莫扎伊斯克、小雅罗斯拉韦茨和卡卢加陷入全线激战。中央集团军群司令冯·博克很快就意识到，夺取莫斯科的战斗才刚刚开始。
朱可夫没有什么可招待博克的，奉到德国人面前的只是“一步都不许后退”的顽强抵抗……
