1941年7月3日，比亚韦斯托克—明斯克战役尚未结束，德军中央集团军群便根据“巴巴罗萨”作战预令的既定方针，以第4装甲集团军率先向斯摩棱斯克方向实施追击。至7月9日，比亚韦斯托克—明斯克战役结束，该集团军进至第聂伯河中游至西德维纳河一线，随后跟进的第2和第9集团军也以先头部队分别抵达别列津纳河与西德维纳河一线。德军企图一举歼灭避开比亚韦斯托克—明斯克合围的苏军西方面军余部，从行进间夺取斯摩棱斯克及其附近第聂伯河与西德维纳河之间通往莫斯科的大陆桥，为长驱直入莫斯科创造条件。
鉴于边境交战失利，苏军从6月底开始沿西德维纳河、第聂伯河中游部署战略第二梯队，以固守斯摩棱斯克地域，阻止纳粹德军突击首都莫斯科。苏军西方向总司令兼西方面军司令铁木辛哥，将来自大本营预备队并编入西方面军的第22、第19、第20、第16和第21集团军，沿两河一线由北向南依次展开，且将边境交战中被德军击溃或削弱的西方面军所属第13、第4、第3和第10集团军的一些兵团调往后方休整补充。为加大这一方向的防御纵深，苏军在西方面军主要防御地区以东210~240公里处的涅利多沃、布良斯克一线展开第24和第28预备队集团军，并在西方面军侧后陆续组建后备方面军、中央方面军和预备队方面军。但在斯摩棱斯克战役开始前，从大后方调入西方面军的48个师中，只有37个师到达伊德里察至日洛宾以南地域一线并占领阵地，未及建立稳定的纵深防御。
1941年7月10日，德军中央集团军群所属第4装甲集团军在第2航空队支援下，强渡第聂伯河，发起斯摩棱斯克战役。此役历时约1个月，苏德双方在“这个曾经成为拿破仑军队通往莫斯科道路上的可怕障碍的俄罗斯古城”及其附近，正面500余公里，纵深200余公里的广阔地域内，进行了一系列激战和反复争夺。
在斯摩棱斯克战役中，德军利用苏军立足未稳，防御体系尚不完备，依靠强大的装甲兵力与密切的步、坦协同连续实施深远的钳形突击、分割包围和各个击破，歼灭了苏军大量兵力，占领了斯摩棱斯克等战略要地，向第聂伯河以东推进200余公里，从而打开了通往莫斯科的门户，率先达到“巴巴罗萨”作战预令为其确定的第一阶段作战目标。
与此同时，苏军不断投入新锐兵力，以顽强的防御和接连不断的反突击毙伤德军25万人，迟滞德军进攻达1月之久，为加强莫斯科的防御赢得了宝贵时间。在苏军有力打击下，德军的作战能力，特别是装甲军突击力明显下降，对其尔后作战造成严重影响。因而，希特勒在8月4日视察中央集团军群时承认，如果在发动侵苏战争前就知道苏军的坦克和飞机有那么多，他就很难定下侵苏决心。
斯摩棱斯克战役结束后，德军将进攻重点转向南北两翼，但在中部叶利尼亚等地仍有激战。为清除德军突向莫斯科的前进基地叶利尼亚突出部，苏军预备队方面军所属第24集团军及其加强兵力共10个师，8月30日向突出部的根部实施相向突击，尔后又击退德军多次反击。至9月4日，苏军予德军叶利尼亚集团以重大打击，并对其形成深远包围，迫使其开始退却。2天后，苏军收复该市，并向西追击。9月8日，苏军进至乌斯特罗姆河、斯特里亚纳河一线，胜利结束叶利尼亚战役。此外，苏军西方面军以4个集团军的兵力于9月1日至9日在斯摩棱斯克附近再次转入进攻，但未奏效。而后，苏军也在莫斯科方向转入防御。