В связи со снижением наступательных возможностей немецких войск группы армий «Центр» в середине ноября 1941 г. советское командование приступило к разработке плана наступательной операции под Москвой. 29 ноября Ставка ВГК его утвердила и определила сроки начала операции. Замысел ее сводился к тому, чтобы ударами правого и левого крыльев Западного фронта во взаимодействии с Калининским и Юго-Западным фронтами разгромить главные группировки противника, стремившиеся охватить Москву с севера и юга. Основная роль при этом отводилась войскам Западного фронта.
Для проведения операции Ставка сконцентрировала достаточно крупные силы: Западный фронт [генерал армии Г.К. Жуков; 1-я ударная, 30, 20, 16, 5, 49-я и 50-я армии и группа войск генерал-майора П.А. Белова (усиленный 1-й гвардейский кавалерийский корпус) и 10-я армия], Калининский фронт (генерал-полковник И.С. Конев; 29, 31-я и 22-я армии), правое крыло Юго-Западного фронта (Маршал Советского Союза С. К. Тимошенко; 3, 13-я армии и оперативная группа генерал-лейтенанта Ф.Я. Костенко), имевшие в своем составе 1,1 млн. человек, 7652 орудия и миномета, 774 танка и 1000 боевых самолетов.
Им противостояла немецкая группа армий «Центр» генерал-фельдмаршал Ф. Бок, затем генерал-фельдмаршал Г. Клюге, 9, 4-я и 2-я армии; 3-я и 4-я танковые группы (с 31 декабря — 3-я и 4-я танковые армии), насчитывавшая свыше 1,7 млн. человек, около 13,5 тысячи орудий и минометов, 1170 танков и 615 боевых самолетов.
В целом советские войска уступали противнику в численности, за исключением авиации, которая благодаря удачно проведённым в октябре—ноябре двум воздушным операциям завоевала оперативное господство в воздухе.
По оперативному замыслу Западный фронт наносил одновременно два удара: один севернее Москвы по сходящимся направлениям на Ктин и Солнечногорск, другой — южнее в направлении Стиногорск (ныне Новомосковск), Узловая, Богородицк. Калининский фронт переходил в наступление левым крылом с целью выйти в тыл клинской группировке противника и совместно с войсками правого крыла Западного фронта уничтожить её. Предусматривалось также окружить вражеские войска в Калинине (ныне Тверь). Юго-Западный фронт получил задачу разгромить противника в районе Епьца и оказать содействие войскам левого крыла Западного фронта.
Мощные удары советских войск в начале декабря под Калининым, Яхромой, Наро-Фоминском и южнее Каширы переросли в контрнаступление. Началось оно 5 декабря ударом 29-й и 31-й армий левого крыла Калининского фронта по превосходящим силам 9-й немецкой армии. При общем преимуществе врага в силах и средствах командованию фронта удалось создать группировку в составе восьми стрелковых дивизий, обеспечившую на направлении главного удара превосходство в людях в 1,5 раза. К исходу 9 декабря 31-я армия перерезала шоссе Калинин — Тургиново и создала во взаимодействии с 29-й армией угрозу окружения противника в районе Калинина. Немецкое командование начало отводить части из города. 16 декабря Калинин был освобождён. 22 декабря в состав Калининского фронта из резерва Ставки ВГК была переведена 39-я армия, которая вводилась в сражение в полосе между 22-й и 29-й армиями. Ведя напряжённые бои, войска Калининского фронта вышли на рубеж по левому берегу Волги северо-западнее и восточнее Ржева, где были остановлены противником.
Войска фронта продвинулись на 60—120 км в южном и юго-западном направлениях. Было восстановлено железнодорожное сообщение между северо-западным и западным стратегическими направлениями, что обеспечило взаимодействие Калининского, Западного и Северо-Западного фронтов, создались условия для проведения последующей операции с целью более глубокого охвата всей группировки противника, действовавшей на московском направлении.
6 декабря перешли в контрнаступление армии правого крыла Западного фронта (1-я ударная, 30, 20-я армии и часть сил 5-й армии), 7 декабря — 16-я армия. В рамках Московской наступательной операции началась Клинско-Солнечногорская наступательная операция. Войскам фронта противостояли 3-я Калинипом и 4-я немецкие танковые группы и часть 4-й армии. Несмотря на преимущество противника в артиллерии и бронетанковой технике, командование фронта создало превосходство в людях в 1.6 раза и прорвало вражескую оборону. 11 декабря советские войска освободили Истру, 12 декабря — Солнечногорск, 15 декабря — Клин. Для безостановочного преследования противника широко применялись передовые отрады, подвижные кавалерийские и танковые группы под командованием генерал-майора Л.М. Доватора, генерат-майора Ф.Т. Ремизова, генерал-майора танковых войск М.Е. Катукова, полковника П.Г. Чанчибадзе и др. 20 декабря войска 16-й и 20-й армий освободили Волоколамск. К исходу 21 декабря войска правого крыла Западного фронта достигли рубежа рек Лама и Руза, где встретили организованное сопротивление немецких войск на заранее подготовленных позициях. Попытки с ходу прорвать их оборону на этом рубеже успеха не имели. До 25 декабря советские войска вели бои с целью улучшить своё положение. В результате Кшшско-Солнечногорской операции войска правого крыла Западного фронта разгромили 3-ю и 4-ю танковые группы противника, отбросили его на 90—100 км.
Войска левого крыла Западного фронта (часть сил 49-й армии, 50, 10-я армии и группа войск генерал-майора П.А. Белова), начав 6 декабря Тульскую наступательную операцию, перешли в контрнаступление разновременно: 10-я армия — 6 декабря на Сталиногорск. 50-я армия — 8 декабря на Щёкино. Советские войска нанесли с нескольких направлений мощные удары по глубоко вклинившейся в оборону 2-й немецкой танковой армии южнее Тулы и севернее — по правофланговым соединениям 4-й армии вермахта в районе Малоярославец — Таруса. Несмотря на общее превосходство в силах и средствах, немецко-фашистское командование, опасаясь окружения восточнее Тулы, отдало приказ о выводе войск из «мешка». 11 декабря войска 10-й армии освободили Стапшогорск, а 13 декабря — Епи-фань. К 16 декабря передовые соединения армии вышли на рубеж р. Упа, охватив с юго-западного направления глубокий тыл 2-й танковой армии вермахта. Тем временем из-за упорного сопротивления противника южнее и восточнее Тулы наступление 50-й армии развивалось медленно. 12 декабря ее части вышли к р. Упа, 16 декабря сюда же вышла группа войск Белова. Двумя днями раньше в наступление перешла 49-я армия, освободив 17 декабря г. Алексин и обеспечив тем самым наступление 50-й армии. В целом в ходе Тульской наступательной операции советские войска продвинулись более чем на 100 км и устранили непосредственную угрозу Москве с юга.
В то же время правофланговые армии Юго-Западного фронта (3, 13-я и оперативная группа генерал-лейтенанта Ф.Я. Костенко) 6 декабря начали Елецкую операцию. В ходе нее были окружены и уничтожены две пехотные дивизии противника. Войска 2-й полевой немецкой армии понесли большие потери в живой силе и технике. К исходу 16 декабря враг был отброшен на рубеж восточнее города Ливны. В ходе Елецкой операции советские войска продвинулись на 80—100 км. Были освобождены, города Елец и Ефремов и ликвидировано вклинение противника южнее Тулы.
17 декабря без паузы после Тульской наступательной операции началась Калужская наступательная операция войск левого крыла Западного фронта в составе 49-й (генерал-лейтенант И.Г. Захаркин), 50-й (генерал-лейтенант И.В. Болдин), 10-й (генерал-лейтенант Ф.И. Голиков) армий и 1-го гвардейского кавалерийского корпуса. Здесь советским войскам противостояли главные силы 2-й танковой армии и часть соединений 4-й армии вермахта. Операция осуществлялась успешно, особенно стремительными были действия подвижной группы фронта под командованием генерал-майора B.C. Попова. За трос суток она продвинулась до 90 км и 21 декабря ворвалась в Калугу, которая была полностью освобождена только 30 декабря совместными усилиями подвижной группы и подошедших соединений 49-й и 50-й армий. В ходе операции были освобождены сотни населенных пунктов, в том числе Лихвин и Козельск.
В конце декабря 10-я армия и 1-й гвардейский кавалерийский корпус во взаимодействии с партизанами на широком фронте форсировали р. Ока. К 9 января 1942 г. войска левого крыла Юго-Западного фронта вышли на рубеж восточнее Лобанова и Юхнова, Зубово, Сухииичи, продвинувшись в западном направлении на 120-130 км.
Войска центра Западного фронта, левый фланг которого состоял (после объединения 10 октября Западного и Резервного фронтов) из 5, 3,43-й (генерал-лейтенант К.Д. Голубев) армий, а правый фланг — из 49-й армии, перепили в наступление 18 декабря с целью сковать здесь противника, лишив его возможности перебрасывать силы на фланги группы армий «Центр». В основном наступление на этом направлении достигло намеченной цели.
Воссозданный 24 декабря Брянский фронт генерал-полковник Я.Т. Чсревиченко; 61-я (генерал-лейтенант М.М. Попов), 3, 13-я (генерал-майор A.M. Городнянский) армии и оперативная группа генерал-лейтенанта Ф.Я. Костенко при взаимодействии с войсками Юго-Западного фронта из-за ожесточённого сопротивления противника не смог выполнить поставленную Ставкой задачу по овладению районами Орла и Курска. Соединениям Брянского фронта к 8 января удалось продвинуться лишь на 5—25 км и выйти на рубеж р. Сосна восточнее г. Ливны.
В целом, разгромив в ходе наступательной операции соединения группы армий «Центр», прорвавшиеся к ближним подступам Москвы с севера и юга, советские войска выполнили поставленную перед ними задачу. От захватчиков были освобождены свыше 11 тыс. населенных пунктов, ликвидирована опасность окружения Тулы. Советские войска вышли на рубеж Селижарово, Ржев, Волоколамск, Руза, Мосальск, Бедёв, Мценск, Новосиль, отбросив противника на 100—250 км. Врагу было нанесено тяжёлое поражение: разбиты 38 дивизий, в том числе 11 танковых и 4 моторизованных. Потери советских войск составили: безвозвратные — 139 586 человек, санитарные — 231 369 человек.
Московская наступательная операция стала первой стратегической наступательной операцией Красной армии в Великой Отечественной войне. Победа под Москвой значительно улучшила военно-политическое и международное положение Советского Союза. Советские войска сорвали немецко-фашистский план «молниеносной воины» и развеяли миф о непобедимости германской армии.
Наступление под Москвой — это ряд частных операций, слепленных в единую мозаичную картину блистательного сражения, которое многими исследователями называется коренным переломом в войне. Перелом произошел, прежде всего, в сознании, советские люди окончательно поняли: «мы победим!»
Может скорее: «мы можем победить»? Некая эйфория охватила, прежде всего, высшее руководство. Хотя и было с чего — Тихвин, Ростов, пендель немцам под Москвой, зубодробительный десант в Крыму (это зимой-то!). Однако с приходом летнего периода дойчи оказались в своей стихии. Маневренная война с широким перемещением крупных масс техники еще не была освоена нашими генералами. Да и силенок европейская гадина подкопила.