1941年10月10日，朱可夫正式接管了西方面军的指挥权。他找来科涅夫，二人商定由科涅夫率领一个指挥部，接管右翼的4个集团军，负责加里宁方向的防御，这让朱可夫亲自负责的防线减少了一半。在方面军的左翼，也就是莫扎伊斯克防线上，朱可夫有4个集团军（后来又增加了第33集团军），虽然这些部队加起来还不到十万人，但他确信统帅部会持续给前线输送新的部队。

朱可夫的计划并不复杂，莫斯科以西无险可守，只能依靠构筑的纵深梯次防御工事和官兵的血肉之躯抵抗德军的装甲洪流，尽可能地拖延时间，为统帅部重新集结部队争取时间，为冬季的到来争取时间，为日后的反攻争取时间。

然而天公不作美。十月中旬，一场寒潮随着秋雨结束后降临在莫斯科地区，原本泥泞的道路封冻了，德国人再次觅得了冲向莫斯科的良机。自10月10日，莫扎伊斯克防线的战斗全面展开。

在“莫扎伊斯克防线”的南段，德军第4集团军第12、第13军的6个师突破苏军近卫第5步兵师的防御，于10月12日攻占卡卢加，然后冲向塔鲁萨。

同时第4装甲集群所属第57摩托化军在第4集团军的左翼，连续向小雅罗斯拉韦茨发动试探性进攻，被戈卢别夫的第43集团军击退。第57摩托化军军长孔岑见正面难以突破，就把部队悄悄左移，成功地穿过了苏联人的雷区。

德军之所以能够取得这样的进展是因为苏军的部队大多数还没有到达。德国人推进时，发现了大量迷宫般的堡垒群，可里面并没有苏军。

就在德国人以为前面一片坦途时，突然发现苏军的抵抗骤然增强。原来在卡卢加失守后，苏军的增援部队也随之抵达前线。10月13日，叶夫列莫夫中将指挥的第33集团军被部署在小雅罗斯拉韦茨以北地区。德军第4集团军司令克鲁格接到报告，战场上出现了大量来自苏联腹地的部队，他们中很多人长着亚洲人的面孔，这些人甚至都不会讲俄语。

德国人口中的部队是从远东军区和中亚刚刚调来的4个步兵师，他们的到来让“每天的战斗都变得极其残酷”（德军第4集团军参谋长布鲁门特里特的评价）。在纳拉河，苏军的反击尤其凶猛，德军第12军先前夺取的一些阵地又被苏军夺了回去。在德军第98步兵师的阵地上，苏联士兵高喊着“乌拉”，不计伤亡地冲了过来。第98师所属的各连打得只剩下20～30人。

10月23日，战场上的气温回暖，短暂的封冻期结束了。泥泞的道路再次给德国人制造了大麻烦，他们的火炮拉不上火线，补给车辆开不过来，就连士兵的靴子也被淤泥拽了下来。与之对应的是苏军前线官兵从不抱怨这种事，他们的大炮还在发射，他们的步兵还在冲锋。

至10月底，第4集团军的进攻在距离莫斯科60多公里的纳拉河、塔鲁萨一线陷入停顿。

在莫扎伊斯克防线的中段和北段，德军第4装甲集群主力2个摩托化军于10月11日开始向莫扎伊斯克实施突击，这里是距离莫斯科直线距离最近的地段，负责防御的是列柳申科的第5集团军。

莫扎伊斯克以西的博罗季诺首先成了双方争夺的焦点。这里是一个古战场，130年前拿破仑和库图佐夫指挥各自的部队共计20万人曾在这里厮杀，130年后的交战双方是得到3个坦克旅和炮兵加强的苏军第32步兵师，对阵德军第10装甲师和党卫军第2装甲师。

德军由12个摩托化步兵营、2个强击火炮连、89门中等口径以上火炮、33门火箭炮和124辆坦克组成。苏军的3个坦克旅有114辆坦克（也有一说是50辆）、50门中等口径以上火炮和1.5万步兵。

10月9日，苏军还没有全部抵达，帝国师（党卫军第2装甲师）的进攻首先遭到苏军第18坦克旅的强力阻击。帝国师师长豪赛尔暂停了进攻，请求增援。第10装甲师随即赶到，苏军第32步兵师也就在这个空当进入了阵地。

苏军将一部分坦克摆在阵地上充当固定火力点，另一部分则不断实施反击。朱可夫亲自来到博罗季诺督战，经过6昼夜的厮杀，德军从两翼迂回成功，迫使苏军后撤。战斗结束后，德军伤亡2044人，剩下75辆坦克可用。

拿下博罗季诺后，由法国“志愿者”组成的2个营抵达前线，第4集团军司令克鲁格特意把这些法国人带到博罗季诺，向他们发表了一番慷慨激昂的演讲，号召他们继承先辈拿破仑的遗志，跟俄国人血拼到底。不过德国人很快就发现，法国人不大能吃苦，这在残酷的东线是不行的。

10月18日，德军趁势拿下了莫扎伊斯克，帝国师的摩托化部队继续担任先锋，沿着明斯克公路向东开进。在距离莫斯科90公里的地方，遭遇苏军5个残破不全的步兵师和20辆坦克的阻击。关键时刻，统帅部火速派来了另一支劲旅——来自远东的第82摩托化师。战至10月26日，苏军在库宾卡遏制住了苏军的攻势。

在防线的北段，德军第3装甲集群和苏军第16集团军在沃洛科拉姆斯克展开激战。10月10日，德军先头部队与“最高苏维埃学校”的学员兵们交火，德国人损失了4辆坦克、几辆装甲车，并丢下了100多具尸体败走。

10月14日，德军第56摩托化军和第5军发起新一轮进攻。几天前的前哨战并没有影响德军的乐观情绪，进攻部队以摩托化行军纵队开进，最前面的摩托车一路风驰电掣，奔向拉马河大桥。

当德军接近苏军前沿时，手榴弹和燃烧瓶砸向了德军坦克，德军的摩托车队则被苏军机枪打得四处乱转。不清楚敌情的德军损失了9辆坦克、1辆装甲车和10多辆汽车，又一次退了回去。这次伏击德军的依旧是4天前打退德军的“最高苏维埃学校”的学员兵，以及他们的援军——莫斯科第1炮兵学校的学员兵。

从俘虏的德军口中得知，主攻时间是16日拂晓，他们的口号是：到沃洛科拉姆斯克吃早饭，到莫斯科吃晚饭。

第16集团军的实力并不强，除了两所学校的学员，集团军司令员罗科索夫斯基手上还有第3骑兵军（辖两个损失严重的骑兵师）、预备队第126步兵师的一个团和第316步兵师。这些部队只有第316步兵师属于真正的野战部队，该师于1941年8月在土耳其斯坦的阿拉木图组建，辖3个步兵团和1个炮兵团。调往东线战场后，第316步兵师起初编入西北方面军第52集团军，10月10日又被紧急抽调到莫斯科前线。

第316师师长潘菲洛夫蓄着仁丹胡，来自斯大林格勒以北的萨拉托夫，战争爆发前他就长期在中亚工作，担任吉尔吉斯军事委员。

第316师并没有实战经验，师属炮兵较弱，只有8门122毫米火炮和16门76毫米炮。不过他们兵员充足，部队接受过充分的训练，所以成为罗科索夫斯基手上最为倚重的部队。该师在沃洛科拉姆斯克西南展开，扼守着一段长达41公里的防线。罗科索夫斯基清楚潘菲洛夫师重任在肩，所以给他们增派了大量炮兵，包括4个加农炮团、1个反坦克炮团、1个机枪营和1个高炮营。

罗科索夫斯基手上没有坦克，野战工事在战前没有完工，只挖了一道反坦克壕，所以罗科索夫斯基特别珍惜手上的火炮。为了不让德军的冲锋枪手渗透进来袭击炮兵阵地，他特意从本不多的步兵部队中抽出一部分人，为每门炮都加强了护卫兵。他还让工兵部队组建若干个马车分队，拉上炸药和地雷。赋予这些分队的任务非常危险：在德军进攻方向迅速布设地雷。

朱可夫清楚罗科索夫斯基的力量不够，所以把方面军大部分航空兵加强给了他，包括210架歼击机和200架轰炸机。

10月16日，霍特的坦克集群如期发起进攻。为了割裂苏军第5集团军和第16集团军的联系，第316步兵师成为德军进攻的重点，一下子投入了第5步兵军主力和第2装甲师。16日下午2时30分，德军第2装甲师动用60辆坦克，在1个摩托化步兵营的支援下，猛烈攻击潘菲洛夫师的左翼，首当其冲的是该师第1075步兵团（潘菲洛夫28勇士就属于该团第4连）的第6连（得到5门反坦克炮的加强）。

德国人依旧豪横，坦克上面搭载着步兵，分两路向前开进。不久一路德军来到反坦克壕前，另一路则被路障挡住了去路。当德国人的坦克停下来时，苏军的反坦克炮和纵深的野战炮开火了。同时前沿的机枪专门射杀那些从坦克上跳下来的步兵。转眼之间，6辆坦克被炮火击中起火，2辆坦克踏上了地雷，另外一辆试图冲过拉马河，被桥上安装的炸药炸毁。

当天下午德军以50辆坦克和1个步兵团发起第二次进攻。这次他们要谨慎得多，步兵不敢坐在坦克上，而是老老实实地跟在坦克身后。经过一番恶战，30辆德军坦克渗透到了第6连的身后将其包围。第6连虽然兵力不多，但他们立即组成一个环形阵地继续抵抗。战斗进行到晚上，德国人竟然也没有将这个连消灭。

10月17日，德军以40辆坦克和2个摩托化步兵营继续进攻。这一次他们成功绕过障碍物，占领了两个小村子。25辆坦克插到苏军反坦克炮阵地后方，击毁3门反坦克炮，毙伤苏军19人。幸存的士兵拉着最后一门反坦克炮向东撤退，却被己方的反坦克壕挡住了去路。德军继续前进，遭遇苏军85毫米高射炮阻击，再次停止了进攻。守在防线前沿的第6连在失去反坦克炮火支援的情况下，凭借集团军炮群的火力支援继续战斗，直到弹药耗尽才撤出了阵地。

10月17日这一天，德军第5步兵军在第16集团军右翼发动进攻，苏军第3骑兵军没有让他们前进一步。

10月18日，德军第2装甲师倾巢出动，以150辆坦克和1个摩托化步兵团猛攻第1075步兵团阵地。面对强敌，潘菲洛夫投入了预备队——第296反坦克团和师属炮兵团的两个连。双方的实力相距太大，苏军第1075步兵团的各处阵地相继失守。失去步兵掩护的炮兵只能一面用大炮直瞄射击德军坦克，还要跟冲上来的德军步兵殊死搏斗。

为了给德军制造苏军有很多火炮的假象，潘菲洛夫命令部队把所有大炮推出工事，拉到外面边打边撤。这一天他们损失了9门火炮和9辆拖拉机，炮手们和护卫步兵损失惨重。更为严重的是，德军在这一天夺取了第316步兵师阵地以南的莫扎伊斯克，德军第4装甲集群所属的两个摩托化军都涌向了潘菲洛夫师的阵地，加上正面进攻的德军第2装甲师和第35、第110步兵师，潘菲洛夫师一下子要承受德军7个师400多辆坦克的进攻。即便如此，潘菲洛夫师也没有后撤，士兵们拿起燃烧瓶投向德军的坦克，可更多的坦克开到近前，用机枪猎杀步兵，用履带碾平战壕，用坦克的冲击力撞毁火炮。

至当天黄昏，罗科索夫斯基又给潘菲洛夫调去了第289反坦克炮团和2个火箭炮营。

10月19日，德军第35步兵师冲击第1076步兵团阵地。这里的苏军只有1个野战炮连和4门反坦克炮支援，德军得以击退苏军，渡过鲁扎河。

双方了实力差距是令人绝望的，但即便如此潘菲洛夫师与德军激战了2个星期，直到10月27日德军才冲进沃洛科拉姆斯克。此时潘菲洛夫师从1.5万人锐减至3500人，师属炮兵团损失殆尽，陆续加强给他的3个反坦克炮兵团损失了31门火炮和17台拖拉机。

与之对阵的德军同样损失惨重，步兵师里的很多步兵连只剩下不到30人可以继续战斗。他们还遇到了令人厌烦透顶的淤泥，一门轻型火炮也得24匹马才能拉得动。

当德军冲进沃洛科拉姆斯克时，罗科索夫斯基上报朱可夫：明天阵地上将没有火炮抵抗德军坦克了。

朱可夫此时也无兵可派，只能连夜把莫斯科防空部队的2个高射炮团调给罗科索夫斯基。同时罗科索夫斯基把第18民兵师和第3骑兵军派到了潘菲洛夫师驻守的阵地，第3骑兵军原来驻守的右翼则被新到的第126步兵师接管。

前线在激战，后方的苏联统帅部也在竭尽全力地为他们搜集可用的部队。10月16日，斯大林亲自给正在姆岑斯克阻击德军第2装甲集团军的第4坦克旅旅长卡图科夫打电话，命令他转移到明斯克公路方向，保卫莫斯科。

姆岑斯克距离明斯克公路有360公里之遥，卡图科夫向斯大林建议，由于德国空军的威胁，坦克在夜间没有照明的条件下上装列车容易出错，很有可能在运输途中造成损失，所以他建议用坦克自身的摩托行军。斯大林同意了。

三天后，第4坦克旅急行军300公里抵达库宾卡。值得玩味的是苏军的调动并没有受到泥泞道路的困扰。途中他们还主动打了一仗，当部队行进至小雅罗斯拉韦茨附近时，与德军的一个行军纵队遭遇，第4坦克旅发动突袭，当场打掉德军的两门火炮。当德国人反应过来时，苏军的坦克已经冲到近前，用机枪猛烈扫射。几分钟后，苏军步兵赶到，赶紧利落地吃掉了德军的一个营。

10月20日，第4坦克旅从库宾卡出发，开往第16集团军前线。不过他们因为种种原因还是错过了莫扎伊斯克防线上最激烈的战斗。

至当月底，德军在台风行动的前十天，向东推进了180公里；之后的二十天推进了50公里。现在他们距离莫斯科最近的地方仅有50公里。早在10月15日，当莫扎伊斯克一线激战时，斯大林下令将莫斯科各机关疏散至大后方，首都则变成了一座要塞城市。

朱可夫后来承认，这段时间是他一生中经受压力最大的时期。德军已经从多处突破了莫扎伊斯克防线，与其原地坚守，不如把部队全部撤到身后已经构筑好的新防线上去。10月19日，朱可夫将方案以密件提交给大本营，斯大林当天就批准了。

苏军主动后撤后，德军并没有急于发动进攻。11月初的战场上出现了短暂的平静。有经验的老兵都知道，这是大战前的沉寂，双方都在调兵遣将，积蓄力量，准备迎接即将到来的决战……