1941年11月15日，德国坦克集团军对克林发动了进攻。克林苏联军队没有预备队。因为斯大林正准备在沃洛克拉姆斯克发动反击，所有可用的预备队集中在南部。德军的第一次进攻企图将两支苏军分开，即切断第16集团军和第30集团军苏军之间的联系。朱可夫元帅在回忆录中说：“敌人，不顾伤亡，正在进行正面进攻，使用任何可用的手段也要攻占莫斯科。” 尽管德国国防军作出了巨大努力，但苏联军队的纵深防御减少了苏联军队的伤亡，而且苏联第16集团军也慢慢撤退，阻止了德国突破防御的企图。
经过激烈的战斗，德国第3装甲集团军终于在1941年11月24日占领了克林，并在11月25日占领了索尔涅奇诺戈尔斯克，但苏联的抵抗力顽强，结果未定。据报道，斯大林问朱可夫是否可以守住莫斯科，并命令他像一个共产党员一样诚实地回答。朱可夫回答说可以，但必须有预备队增援。 11月28日，德军第7装甲师占领了横跨莫斯科——伏尔加河运河的桥头堡。它是莫斯科市前的最后一个天然屏障，距离克里姆林宫不到35公里。但在渡河后由于遭到苏联第1突击集团军的强大反攻而被迫退回对岸。莫斯科西北部的德国国防军抵达了希姆基的卡拉斯拉雅波利亚纳村。这个村庄距离莫斯科只有20公里。德国军官已经可以用双筒望远镜看到苏联首都的一些主要建筑物。但是此时苏军和德军都精疲力尽，以至于一些旅只有150至200个步兵（一个连的足额兵力）。
1941年11月18日，德军第2装甲军试图包围这座城市，在南部图拉附近，战斗再次爆发。参加战争的德军由于在先前的战斗中遭受了很大损失，还没有冬季制服，因此德国人在第一次进攻中每天只前进5-10公里（3-6英里）。就像古德里安所说的“成功的机会低于正常”。 此外，德国装甲部队遭受位于图拉附近的苏军第49和50集团军的侧击，进一步拖延了其前进的步伐。然而，古德里安仍继续进攻，1941年11月22日，他的部队占领控制了通往莫斯科的交通要道卡希拉，第二天，苏联军队进行了强大的反击。包括第173步兵师，第9坦克旅，两个独立的坦克团和一个训练与军事学院单位。制止了在卡希拉附近的德国进攻，德国人在12月初被击退。 图拉本身就受到了包括士兵和平民在内的守军的设防和保护，在南方，德国国防军从未接近过苏联首都。
由于在莫斯科南北两翼的进攻遭到强烈的抵抗，12月1日，德国国防军对纳罗-福明斯克附近的明斯克-莫斯科高速公路发动了正面攻击。但是，这次袭击只用了有限数量的坦克，在遭遇苏联的集中防御并遭到苏联第1近卫摩托化步兵师和苏联第33集团军的抵抗后，德军的攻势在4天后被击退，并损失了10,000人和数十辆坦克。
自12月1日以来，最低温度已降至零下20摄氏度。苏联军队仍然可以忍受，但是没有冬衣的德国军队则无法忍受。 同时德军车辆不适用于在如此寒冷的气候下运行。 结果，德国士兵中总共报告了130,000例冻伤病例。 在使用车辆之前，必须从每一发炮弹上除去防冻剂，车辆在使用前先要热车数个小时。
对莫斯科的进攻结束了。 古德里安在日记中写道：“对莫斯科的攻势失败了，我们低估了敌人的优点，包括他的面积及天气，幸运的是，我在12月5日下令部队停止前进，否则大祸将无可避免。“
