1941年7月10日—9月10日，在斯摩棱斯克地区，苏德两国爆发一场大规模攻防战。德国军队参战兵力为60个师加1个旅和1个航空队。苏联铁木辛哥元帅率西方面军、预备队方面军、苏联中央方面军和布良斯克方面军固守斯摩棱斯克地域，阻止德国军队的进攻。最终德军取利，苏军共损失3600多辆坦克、4800多门火炮，约45万多万官兵被俘。苏军虽然损失惨重，但却为莫斯科组织新的防线赢得了时间。
斯摩棱斯克是通往莫斯科路上一个重要据点，德军占领斯摩棱斯克之后，如果迅速对莫斯科发动总攻，很可能占领莫斯科。但是，当古德里安的装甲部队到达莫斯科外围后，却接到希特勒的命令，要他去支援南方集团军群，加入到对乌克兰首府基辅的攻击。因为装甲突击力量受到削弱，德军向莫斯科推进的速度受到严重影响，以至于在冬季来临前，未能拿下莫斯科。
莫斯科地区的严寒，给德军带来的很大的麻烦，而苏军却不断集结兵力，并在冬季给德军发动致命一击，不仅挫败了德军对莫斯科的包围，还歼灭了50万德军，取得苏德战争的首场胜利。多数德军将领都认为，希特勒调古德里安去加入基辅战役，使得德军错失了占领莫斯科的良机，最终导致了德军在莫斯科战役的失败。但有人认为，德军失败的真正原因，是受制于后勤补给。
德军的机械化部队需要大量的弹药和燃料，由于苏军的顽强抵抗，再加上苏联的道路，在一场大雨后，就可能变成了泥淖，使得德军的弹药、油料消耗远远超出了预期。据统计，在战争开始后的19天，德军的汽车就损失了25%。不到一个月，德军中央集团军群的汽车就损失了三分之一，导致前线部队的补给量锐减。苏联的铁路轨距与德国不一样，德军要利用苏联的铁路运输，就要把苏联的钢轨重新铺一遍。
实际上，从苏德战争爆发后，后勤补给不足的问题就一直困扰着德军的前线部队。比如，6月26日，德军的第四装甲集群就到达杜纳堡，但是由于弹药、油料未能跟上，直到8天后，第四装甲集群才能重新发起攻击。以德军中央集团军群的后勤情况来看，当时最多只能出动17个师向莫斯科发动攻击，而从斯摩棱斯克到莫斯科还有300公里的距离，德军这17个师要突破苏军的三道防线，几乎没有胜算。
等德军把大量兵力和弹药补给都运抵莫斯科城下，冬季也到了。缺少御寒物质的德军，已经不可能有机会占领莫斯科。1941年11月16日到12月5日，苏军进行了顽强防御和多次反突击，给德军造成重大伤亡。据统计，仅在这一期间，德军死伤就达到15.5万余人，损失800多辆坦克、300门火炮300、1500架飞机。