12月5日，德军称之为“最黑暗悲惨的一天”，对苏军来说是整个莫斯科保卫战中最关键的一天。这天，德军在环绕莫斯科周围320多公里的半圆形阵地上，全线遭到苏军的进攻。不仅如此，所向无敌的古德里安装甲部队被迫后撤，不得不在冰天雪地上组织起防线。
然而，德国人已经来不及组织防线，苏军的大反攻开始了。12月5至6日，苏军利用德军预备队消耗殆尽、失去进攻势头的有利时机，出其不意地在加里宁至叶列茨一线开始了全线反攻，实施了加里宁、克林—索尔涅奇诺戈尔斯克、图拉、叶列茨和卡卢加战役，并在罗斯托夫和季赫温方向展开了积极的配合行动。
1. 加里宁进攻战役。
为围歼加里宁市的德军，配合西方面军发动的克林-索尔涅奇诺戈尔斯克进攻战役，朱可夫组织了加里宁进攻战役。
加里宁方面军科涅夫上将下辖第22、第29、第31集团军，从北面深远包围莫斯科方面的德军。加里宁方面军的任务是第29、第31集团军分别进行突击，第29集团军从西面突击，第31集团军从东南迂回突击加里宁。
1941年12月初，加里宁方面军在兵力上并不比德军第9集团军多，但加里宁方面军补给充足。科涅夫部署加里宁方面军第29、第31集团军在进攻地带建立8个步兵师的突击集团，保障了进攻兵力比德军多0.5倍的优势。
加里宁方面军航空兵的任务是当方面军开始进攻后支援陆军的攻势，并阻止德军预备队的调动。
加里宁战役是苏军在对德军不占优势的情况下发动的。科涅夫的政委们做了大量工作以提高士气。在各部队和分队，立过战功的官兵们与新参军的士兵进行思想教育。他们向新兵传授战斗经验，教新兵们各种战术。
12月5日，经过45分钟的炮火和航空火力的准备后，8个师的苏军发动了进攻。其中第29集团军的两个步兵师在加里宁以西插入德军阵地1公里时受阻。第31集团军从加里宁东南向图尔吉诺沃进攻，突破了德军防线。12月9日傍晚，第31集团军切断了加里宁-图尔吉诺沃公路。加里宁的德军被苏军三面包围。德军害怕被合围，开始从该市陆续撤退。
12月15日，苏军占领加里宁郊区，加里宁方面军第31集团军于12月16日11时攻入加里宁。下午13时，苏军占领该市，消灭德军1万多人。苏军缴获31辆坦克、9架飞机、190门火炮、近千辆卡车。
加里宁方面军第39集团军继续向西南方向进攻，于12月25日晚前攻占维索科耶、洛托希诺以东8公里处。
1942年1月2-7日，加里宁方面军在右翼进攻伏尔加河地区，中央在勒热夫市西北发起攻势。在勒热夫地域和洛托希诺以北，德军挡住了苏军。加里宁战役结束了，德军第9集团军主力受到重创。苏军收复加里宁后，苏军防线向前移动了60-120公里，莫斯科西部和西北两个战略方向恢复了联系，加里宁方面军、西方面军和西北方面军的防线连成了一片。但是，由于在进攻的组织上存在很多漏洞，苏军未能消灭当面之敌和占领勒热夫。
2.克林-索尔涅奇诺戈尔斯克进攻战役。
1941年12月，朱可夫给西方面军下达的任务是在克林、伊斯特拉、索尔涅奇诺戈尔斯克消灭德国第3、第4坦克集团军，解除德军从西北方向对莫斯科的威胁。
西方面军在克林-索尔涅奇诺戈尔斯克进攻战役的计划中规定：第30、第1、第20、第16集团军从东北和东面对德军发动向心攻击。第5集团军从莫斯科河左岸发动进攻，保护突击集团的侧翼。
12月6日，苏军第30集团军发动了进攻，至9日晚前推进了20公里。苏军占领了罗加切沃、亚穆加等地，切断了克林以北的加里宁-莫斯科公路。
苏联第1集团军收复亚赫罗马后，向东南进攻克林。第1集团军两天内进攻8公里。
苏联第20集团军收复了红波利亚纳、白拉斯特，进攻索尔涅奇诺戈尔斯克。
苏联第16集团军收复了克留科沃镇后，继续进攻伊斯特拉。
苏联西方面军航空兵全力支援进攻的各集团军，重创了各地的德军。12月6-11日，在克林、罗加切沃地域，航空兵出动飞机700多架次。
12月11日，苏军收复伊斯特拉。12月12日，苏军收复索尔涅奇诺戈尔斯克。12月15日，苏军收复克林。德军撤退时炸毁了桥梁，在道路上埋设了大量地雷，并烧毁了大量房屋。
12月16日，苏联西方面军要求各集团军继续追击德军，要求以更快的速度占领交通枢纽、桥梁和重要战略要地。许多苏军部队滑着雪对德军进行了追击。
12月17日，苏军各路骑兵和装甲部队、滑雪支队消灭了德军的后卫部队。12月20日，苏军收复了沃洛科拉姆斯克。
12月21日傍晚，苏联西方面军占领了拉马河、鲁扎河一线，在那里遭到德军的顽强抵抗。苏军继续突破该地德军防线的进攻失败了。
12月25日，克林-索尔涅奇诺戈尔斯克进攻战役结束了。苏联西方面军使法西斯德军坦克第3、第4坦克集团军受到重创，德军被迫向西溃退110公里。苏军缴获了大量战利品，解除了德军从北面对莫斯科的威胁。在此次战役中，苏联西方面军得到了加里宁方面军在加里宁战役中的密切配合。
3．图拉进攻战役。
苏军的图拉防御战役结束后，12月5日傍晚，德军克鲁格的第4集团军右翼和古德里安的第2坦克集团军开始进攻苏联西方面军左翼。古德里安的第2坦克集团军在图拉-莫尔德韦斯-谢列布里亚内耶普鲁德-米哈伊洛夫-切尔纳瓦一带（350多公里）发动了进攻，古德里安部队处于苏军战役合围之中。古德里安的第2坦克集团军进攻时，其右翼和后方受到了苏军的严重威胁。
为了歼灭图拉方向的古德里安第2坦克集团，解除德军从南面对莫斯科的威胁，朱可夫组织了西方面军对图拉的进攻战役。苏军利用古德里安第2坦克集团军不利的战役态势，组织了苏军第50集团军、近卫骑兵第1军和大本营预备队第10集团军，以及第49集团军一部，发动了图拉进攻战役。
苏军的具体计划是：第10集团军从梁赞西南地域进攻斯大林诺戈尔斯克，突击德军的翼侧和后方；近卫骑兵第1军从莫尔德韦斯进攻斯大林诺戈尔斯克，对德军发动逆袭；第50集团军1个师从拉普捷沃地域配合近卫骑兵第1军的逆袭；第50集团军主力从图拉向南攻击晓基诺，目的是切断德军的退路。苏军准备在消灭古德里安第2坦克集团军后，由第49集团军发动反攻，消灭阿列克辛的德军。
由于苏联第50集团军大量缺额，第10集团军尚未完成组建，朱可夫要求各部队首长、政治机关和党团组织做好激发全体官兵进攻士气等工作。
12月6日，朱可夫出动第10集团军从25-30公里的集中地域发起进攻，并在行进间穿插德军防线。第10集团军歼灭德军掩护部队后，于12月7日凌晨收复了谢列布里亚内耶普鲁德市、米哈伊洛夫市。第10集团军继续进攻韦尼奥夫、斯大林诺戈尔斯克、叶皮凡。
近卫骑兵第1军和第50集团军左翼从北面发起攻势。朱可夫投入大量航空兵支援进攻的苏军。由于面临被合围的危险，德军被迫抛弃了一些坦克和火炮，向南溃退。12月8日，朱可夫命令第50集团军主力发起攻势。
12月14日，苏联第49集团军左翼也开始了反攻。因德军在图拉以南顽强抵抗，苏联第50集团军无法到达晓基诺。苏联近卫骑兵第1军和第10集团军左翼的攻势也严重受阻。古德里安指挥被击溃的部队成功地撤离了阿列克辛突出部。
12月17日，苏军收复晓基诺、阿列克辛。12月17日前，苏联第50集团军右翼到达季托沃-杜布纳一带，近卫骑兵第1军和第10集团军从冰上通过了乌帕河。
通过图拉进攻战役，苏联西方面军重创了古德里安部队，并使其残部溃退130公里。苏军解除了德军从南面对莫斯科的威胁。
4.叶列茨战役。
苏联西南方面军右翼在莫斯科保卫战过程中，于1941年12月6日至16日发动了叶列茨战役。苏联西南方面军的战略计划：第13集团军和方面军战役集群（2个步兵师、3个骑兵师、1个摩托化步兵师、1个坦克旅），从侧翼攻击突入的德军第2步兵集团军，围歼德军于叶列茨，继续向西北方向进攻苏联西方面军左翼的德第2步兵集团军后方。
12月6日，苏联第13集团军发动进攻以牵制德军，将德军从主要突击方向吸引过来。
12月7日，苏联战役集群发动进攻，突破德军防线后，进攻叶列茨的德军第2步兵集团军后方。苏联第13集团军从正面进攻叶列茨。
12月9日，苏军步兵第148师收复了叶列茨。第13集团军和战役集群继续进攻，于12月13日合围了德军2个师。12月16日，苏军将包围圈中的德军1.6万人消灭了。
在零下几十度的莫斯科地区，缺乏冬季装备的德军战斗力明显衰竭。朱可夫通过发动加里宁战役、克林-索尔涅奇诺戈尔斯克战役、图拉战役和叶列茨战役，从德军中央集群手中抢回了战略主动权。
莫斯科的第一场雪是在1941年10月6日深夜落下的，那一晚，莫斯科忽然乌云密布，狂风怒号。没到午夜，天空中便纷纷扬扬地下起了鹅毛大雪。
莫斯科这场初雪竟比平常年份提前了一个月。提前一个月的降雪对大雪中的德军来说，真是“雪上加霜”。11月3日，寒潮不断袭来，气温一下子降到零度以下，而且还在迅速下降。11月27日，一场突如其来的西伯利亚寒风，在不到两个小时的时间里，使莫斯科的气温骤降至零下40度。
大雪覆盖了莫斯科周围绵延上千公里的河流、山谷、村镇以及桥梁、道路，也覆盖了德军的帐篷、野战机场、坦克、大炮和车辆。
寒冷的天气使德军大炮上的瞄准镜失去了作用，纳粹军队的飞机油箱被冻裂，坦克因燃油冻结，必须在底盘下烧火烘烤，才能发动，坦克及随行车辆行进时必须装上防滑链，否则无法控制，随时会翻落沟底，步兵的步枪、机枪等自动武器也因冰冻而成了废物。
德军官兵的处境十分悲惨，由于冰雪封冻，伤员运不走，补给送不来，他们身穿单衣，龟缩在战壕里，挨冻受饿。许多士兵穿着单薄的夏衣，在凛冽的寒风中瑟瑟发抖。越来越多的德军士兵被冻成残废，许多人染上了寒颤不止、全身无力的疟疾。
德军每个部队仅冻伤的官兵，少则数百，多则上千，战斗力因而锐减。由于严重的战斗减员和冻伤减员，德军兵力在一天天减少。
3.绝地大反攻
在莫斯科前线，1941年12月6日上午9时以前，大地一片昏暗，浓雾笼罩着宽阔的大地，在天空中只能看见一个红球。午11时天色才亮一些，下午3时，黄昏来临，下午4时，天地又是一片黑暗。
德军在马洛亚罗斯拉维茨有个临时机场，偶尔从斯摩棱斯克、奥尔沙或者波兰华沙来的运输机降落在机场上，运来少量的士兵，其数量远远无法补偿德军每天的伤亡。这些前不久还住在华沙军营中的士兵们发现自己在两天后来到风雪交加的莫斯科城外，他们衣着单薄，连件大衣都没有。
德国陆军总司令布劳希奇在夏季就认为苏联战争会持续到冬季，他要求希特勒保证充足的冬装和冬季装备。希特勒却不关心这种小事，他认为德军能在寒冷的冬季来临前征服苏联。
现在，希特勒及其高级参谋们突然发现苏联战争还远未结束。这是令人沮丧的，德军官兵被迫在没有冬装的情况下与苏军激战。
德国统帅部发出了紧急命令：向苏联战场运送冬装。在德国各地开始了大规模搜集冬装等物资的工作。最终德国人搜集了大量冬装，但是，要把这么多冬装真正送到前线官兵那里需要好几个月。
前线德军官兵们被迫在身穿夏装的情况下，在激战中度过东线战场的第一个冬季。在苏联境内凡是能发现的毡靴、皮帽、羊毛内衣等都被德军征用，但这简直是杯水车薪，对大多数士兵们的处境未起到任何改善。
德军的补给经常中断，只有几条铁路通向后方。即使是这些铁路线也经常被苏联游击队破坏。德国的火车头锅炉无法适应苏联气候，水在锅炉里结成了冰。每列火车拉的车皮只占夏季的一半。火车经常一连几天陷在冰天雪地的路上。
德军需要大量物资，却很少能够得到满足。为了鼓舞德国官兵的士气，德国政府从法国和德国用火车运来了一列火车的红葡萄酒。当前线德军得到了冰冻的红葡萄酒而不是弹药时，他们愤怒了。
在苏联经常出现-40℃的气候下，在半路上红葡萄酒瓶子早被冻裂，送到德军手中时已经是一堆冰块。
由于缺乏物资，德军无法就地构筑防御阵地。德军被迫与苏军激烈地争夺分散的村庄，因为村庄里至少能找到一些房屋。双方都炮击那些村庄，放火烧掉对方住的房子，使对方没有住的地方。大地冻得像铁一样硬，德军根本没有办法挖掘工事。
德军大炮上的润滑油都冻住了，经常拽不开炮闩。德军士兵缺乏御寒的甘油和燃油。夜晚，德军经常在坦克下面烧火，避免发动机冻坏。坦克容易在冰冻的雪地里打滑，或者溜下斜坡。
苏军的处境比德国好多了，苏军对严寒的天气习以为常了。莫斯科就在苏军的后边，通往前线的供应线很短。苏军官兵都穿着厚厚的皮大衣、皮靴子，戴着暖和的皮帽子，毡靴、皮手套和棉内衣等冬装应有尽有。
苏军的火车由能适应极冷气温的西伯利亚火车头拉着。苏军的卡车、坦克和大炮都是特制的，尽管有所不便，但能够适应严寒的气候。
12月6日凌晨，希特勒做梦也没想到，由朱可夫指挥的苏联西方面军，在其他方面军的协同下，以100个师的兵力向德军发起了全线大反攻。这条战线长达1000多公里，从莫斯科前沿，北起加里宁，南至叶列茨。瞬时间，信号弹腾空升起。大炮的轰隆声冲破了漫天大雾和清晨的沉寂。
“喀秋莎”火箭炮炮弹划出一道道火光，冲向德军阵地。反攻的苏军将士们无不兴奋异常，失败的耻辱、退却的痛苦、对入侵者的仇恨，在此时此刻都转化为一种巨大的力量，推动着他们对疲惫不堪的德军发起了最猛烈的攻击。
他们都怀着这样一个心愿：“是该出口气了，让法西斯看看上西天的路，也让他们尝尝背后挨枪子儿的滋味!”
12月8日下午，克留科沃及其邻近的几个居民地被苏军解放。向西逃窜的德军丢下了54辆坦克， 120辆汽车及很多武器、弹药和军用器材，还丢下了两门300毫米火炮。显然，这是德军准备用它来轰击莫斯科的武器。