苏军全线大反攻首先以加里宁方面军实施的瑟乔夫卡-维亚济马战役（1942年1月8日至4月20日）开始，这一战役也是勒热大-维亚济马进攻战役的一部分。
维亚济马地处斯摩棱斯克州东部、维亚济马河岸。维亚济马在东欧平原中部，属于温和大陆性气候，人口5万人（2002年）。
1941年10月7日至1943年3月12日，维亚济马曾经被德军攻占，该城大部分建筑物被毁。苏军解放该市时，维亚济马人口仅剩716人，仅剩3个建筑物。该市有铁路通向莫斯科、圣彼得堡、卡卢加和布良斯克。
加里宁方面军下辖第22、第39、第29、第31、第30集团军，骑兵第11军，及方面军空军。加里宁方面军参加了莫斯科大反攻以后，到1月8日前推进到谢利扎罗沃、勒热夫、祖布佐夫等市。
1月8日，加里宁方面军第39集团军在勒热夫以西发动了突击，在突破德军防线后继续向南推进。接着加里宁方面军主力进攻瑟乔夫卡、维亚济马，任务是切断德军中央集团军群的交通线。加里宁方面军第22集团军进攻别雷、亚尔采沃，同时负责掩护方面军主力。
1月12日，加里宁方面军第29集团军和骑兵第11军插入德军防线，第22集团军也从谢利扎罗沃发起进攻。
至1月22日，加里宁方面军第39集团军已经突进80-90公里，到达勒热夫的德军后方。第22集团军从西北方向深远合围了奥列尼诺的德军。
1月22日，为了使在北方集团军群那里的苏军与中央集团军群接合部的加里宁方面军连成一片，苏军最高统帅部发动了托罗佩茨-霍尔姆战役。
德国统帅部在约100公里的正面上仅部署了北方集团军群第16集团军的3个步兵师、1个骑兵旅。由于道路不通，积雪齐腰深，加上苏军向森林的进攻，使德军的处境更艰难了。
在苏联加里宁方面军发动进攻的同时，西北方面军的进攻也开始了，即托罗佩茨-霍尔姆战役。1月9日，西北方面军第3、第4集团军在100公里宽的地带内发动了进攻。到1月12日，西北方面军突破了德军防线25-30公里。第4集团军于1月16日收复了安德烈亚波尔市，1月21日，第4集团军又在游击队的支援下，占领了托罗佩茨市。第4集团军先头号部队切断了大卢基-勒热夫铁路，以支援正进行瑟乔夫卡-维亚济马战役的加里宁方面军右翼。
1月22日，西北方面军第3集团军包围了霍尔姆市的德军留守部队，从南面迂回攻击杰米扬斯克的德军第16集团军。
托罗佩茨-霍尔姆一役，苏联西北方面军第3、第4集团军推进约250公里，深远插入德军北方、中央集团军群接合部，破坏了德军两大军群之间的战役协同。第3、第4集团军还迂回进攻了勒热夫-维亚济马的德军，为勒热夫-维亚济马战役的胜利创造了有利条件。杰米扬斯克的德军第16集团军被苏军从南面包围。
为了进一步确保瑟乔夫卡-维亚济马战役的的成功，西北方面军第3、第4集团军编入加里宁方面军。
1月26日，苏联加里宁方面军第22、第29集团军将奥列尼诺的德军约7个师包围了。加里宁方面军骑兵第11军从北面推进到维亚济马附近，成功地切断了维亚济马-斯摩棱斯克公路。
加里宁方面军右翼从西北绕到德国中央集团军群的深远后方，在维捷布斯克-斯摩棱斯克-亚尔采沃等市展开了兵力。德国中央集团军群的反击大大增强了。德国统帅部立即从其他阵地和西欧调来了4个师增援维亚济马。
2月初，德军第9集团军从勒热夫、奥列尼诺，对加里宁方面军第29集团军发动强大的逆袭。德军将加里宁方面军第39集团军和骑兵第11军的联系切断，并包围了加里宁方面军第29集团军。
三四月间，加里宁方面军继续进攻，但没有完成战役任务。4月20日，苏军最高统帅部命令被围苏军转入防御，在战线外的部队与主力会合。
瑟乔夫卡-维亚济马战役结束了，加里宁方面军没有完成任务的主要原因是兵力不足，尤其是缺少发展胜利成果的装甲部队和摩托化步兵。
在此期间，在西北方面军和布良斯克方面军的支援下，加里宁方面军和西方面军还发动了勒热夫-维亚济马战役（1942年1月8日至4月20日）。
勒热夫-维亚济马的战役计划是：加里宁方面军进攻瑟乔夫卡、维亚济马，西方面军左翼从卡卢加向尤赫诺夫、维亚济马分别实施围攻，同时其余兵力进攻瑟乔夫卡和格扎茨克，合围、分割德国中央集团军群主力。
为支援勒热夫-维亚济马战役，西北方面军的任务是其左翼各部队从奥斯塔什科夫进攻托罗佩茨、韦利日、鲁德尼亚。布良斯克方面军在布良斯克、奥廖尔积极进攻，牵制那里的德军。两方面军从南面掩护西方面军的进攻。为了成功合围德国中央集团军群，苏军空降第4军在维亚济马西南进行了空降，空降部队负责切断维亚济马与斯摩棱斯克的交通。
勒热夫-维亚济马战役是从1月8日加里宁方面军第39集团军攻打勒热夫的德军开始的。为了支援各方面军的地面进攻，朱可夫投入了所掌握的全部航空兵。
1月9日，西北方面军左翼各集团军发动进攻。西方面军的第20集团军和第1集团军、近卫骑兵第2军的一部分割了被围的德军。1月10日，西方面军的第20集团军进攻沙霍夫斯卡亚，突破了德军的拉马河防线。1月13日，西方面军的近卫骑兵第2军利用第20集团军打开的通道快速推进。
西方面军的第16、第5集团军也利用第20集团军打开的通道快速推进。1月16日，收复洛托希诺。1月17日，收复沙霍夫斯卡亚。
西方面军的第20和第16集团军在突破德军沃洛科拉姆斯克防线后，切断了莫斯科-勒热夫铁路。
1月20日，西方面军中线部队第5、第33集团军收复了莫扎伊斯克；第43集团军进攻尤赫诺夫方向。西方面军左翼的第49、第50集团军和近卫第1军、第10集团军从北面和南面包抄了尤赫诺夫地域的德军第9集团军约9个师的兵力。
西方面军的第33集团军和近卫骑兵第1军分别在尤赫诺夫以北及以南突入德军后方，向维亚济马展开攻击。
西方面军第10集团军向基洛夫、柳季诺沃快速推进。
苏军从北面和东南面深远包围了德国中央集团军群主力部队，但无法在行进间攻下德军在尤赫诺夫和维亚济马两地之间的阵地。
为了配合正面部队围歼维亚济马的德军，苏军从1月中旬至2月中旬先后在维亚济马东南地区空降部队，进行空降作战，史称维亚济马空降战役。
1月18日-22日，苏军空降第201旅和步兵第250团在维亚济马东南热拉尼耶地域成功空降，就地组成防御阵地。
1月27-2月1日，空降第8旅在奥泽列奇尼亚成功空降。
到1月30日，加里宁方面军占领了维捷布斯克、斯摩棱斯克、亚尔采沃等地，从西北深远包围了德国中央集团军群。加里宁方面军还到达维亚济马附近，在奥列尼诺合围了那里的德军。
2月1日，西方面军的第33集团军向维亚济马发动大规模进攻。西方面军的近卫骑兵第1军与空降部队会师后，于2月2日从西南进攻维亚济马。
德军统帅部为了救援中央集团军群，从西欧紧急调来12个师、2个旅。德军向西方面军的第33集团军和近卫骑兵第1军发动了多次逆袭。2月2-3日，德军切断了西方面军的第33集团军和近卫骑兵第1军在尤赫诺夫以北、以南的交通线。
西方面军的第43、第49、第50集团军去救援第33集团军，被德军所阻。
2月1-7日，空降部队和西方面军的近卫骑兵第一军使斯摩棱斯克一维亚济马的铁路和公路干线完全瘫痪。
2月18-24日，空降第4军主力（空降第9、第214旅）在热拉尼耶成功空降。
维亚济马空降战役的准备时间十分仓促，空降是在非常困难的条件下完成的，德国战斗机不断攻击着苏军运输机。当时，气候严寒，运输机不足，缺乏通行的道路。
尽管空降难度很大，苏军仍向维亚济马以南及西南地区空降了1万多人、320门迫击炮、541挺机枪、300支反坦克枪。
2月间，苏军在维亚济马方向的态势严重恶化。苏军统帅部没有提供围歼德国中央集团军群所必需的兵力，尤其是缺少坦克。
3月，空降部队和西方面军的近卫骑兵第一军多次进攻维亚济马都没有成功。3月7日，空降部队在热拉尼耶的苏军配合下共同占领尤赫诺夫市。
根据朱可夫的命令，空降第8旅于3月30日进攻乌格拉车站。
4月6日，空降第8旅与空降第4军主力会师。因德军得到重兵增援，加里宁方面军和西方面军无法扩大战果。
4月20日，朱可夫立即指挥加里宁方面军和西方面军转入防御，等待战略预备队的到来。在战役外围配合的军队奉命撤回与主力会师。
勒热夫-维亚济马战役尽管没有成功，但苏军把德军向西击退了200多公里。苏军收复了莫斯科州、图拉州、加里宁州和斯摩棱斯克州等大片领土。苏军还使德军无法得到休整，并使德军陷入消耗战的泥沼。仅1月1日至3月30日，德国中央集团军群就消耗了33万多人。至此，希特勒占领莫斯科的企图完全化为了泡影。
莫斯科保卫战既是第二次世界大战期间最大规模的城市保卫战，也是人类战争史上最大规模的城市保卫战。
莫斯科保卫战是德军在第二次世界大战中遭到的首次重大失败，损失50万人（其中冻死冻伤十几万人）、坦克1300辆、火炮2500门、汽车1.5万余辆。
苏军的这一胜利宣告了希特勒闪击战的破产，改善了苏军的战略态势，为苏德战场的根本转折奠定了基础。而空降部队则继续在敌后战斗。空降部队、西方面军的近卫骑兵第1军和各游击队占领维亚济马以南地区，一直坚持战斗到5月25日，牵制了德军约5个师的兵力。
5月25日夜晚，空降部队成功突围，并继续偷袭德军。6月24日，空降部队与西方面军的近卫骑兵第1军一起在基洛夫以北与西方面军的第10集团军胜利会师。
在入侵苏联前，希特勒选择了3个目标，结果3个目标中没有一个成为重要目标。这给德军的作战造成了极大的混乱和牵制。
苏联大地如此辽阔、交通状况如此原始、气候恶劣。卡车陷在到处是烂泥潭的公路上动弹不得。坦克履带经常陷在路上，到了冬季冻实后卡死。连润滑油都在冬季被冻住。德国的燃油储备不断减少，对依赖机械装备的装甲部队来说，这些都是致命的弱点。
很多困难事先德国政府都预计到了，但问题往往不是绕过去了，而是由于经济的原因而搁置。希特勒和他的参谋们自欺欺人地相信，在冬季来临以前战争就结束了。
通向莫斯科公路上的苏军尽管素质低劣，但永不枯竭的人力资源和物力资源使德军极为头疼。后来，缺乏冬装和冬季装备致使德国对莫斯科的进攻失败。即使希特勒设想在冬季到来以前就能彻底打败苏联，但这也不能成为不给部队准备冬装、冬季装备的借口。这恰恰是由于希特勒政府的麻痹大意。不管输赢，德国陆军和空军肯定要在苏联度过1941-1942年间的冬季。
在1941年10月6日的第一场雪，莫斯科前线所有的道路都被大雪封住了。德军机械和人员的工作效率大大降低，但德军仍然在乌亚兹马完成了对约60万苏军的合围，德军还在布尔扬斯克合围了两个军。
这时，莫斯科的苏军已经处于崩溃的状态了，但德军已经意识到了失败是迟早的事情了，人员和装备的效率仅维持原来的20%。古德里安整夜难眠：“……谁来帮助那些在极寒气候中毫无遮挡的可怜士兵。”