十一月十九日起，第41军一部配合第3装甲集群的坦克群向索尔汉奇诺戈尔斯克发起了进攻，第二天即突破了俄第30集团军的防线，俄国名将柳列申科差一点就被击毙了。德军从西南、东北两个方向迂迴克林。史达林向克林前线增调了大量的援军（第20集团军、第1突击集团军），不过技术兵器严重地不足，俄国第17骑兵师的中亚骑兵们只能挥舞着马刀英勇无畏地来与德国坦克抗衡的......儘管俄军在罗科索夫斯基的指挥下进行了顽强地抵抗，但十一月二十三日，德国第7装甲师第25团的坦克营攻陷了莫斯科北部的门户克林。守城的苏军和市民遭到了惨重的伤亡，据亚历山大·米哈伊洛维奇·华西列夫斯基元帅后来回忆，激战中俄军有一个团的兵力全部阵亡了（包含最后三名自杀的重伤员）。十一月二十五日，俄军放弃了索尔汉奇诺戈尔斯克城。博克元帅的亲自督促着第7装甲师的鲁克战斗群抢占了伏尔加河上的大桥，然后越过了冰封的运河，夺占了为莫斯科供电的大型电站。第41摩托化军第6装甲师已经前进到距莫斯科只有三十公里的亚赫罗马。
十一月二十七日，一场突如其来的凛冽寒风，在二个小时内让莫斯科的气温陡降到零下四十度。长达一千多公里的运输线经常遭到游击队的袭击，糟糕的后勤保障让数以千计的德国部队饱偿着讥饿和寒冷的折磨。后方根本就没有可能往前线运输棉衣，数以千计德军身无御寒之衣，没有领到伪装用的罩衣和冬装，有许多人连内衣和结实一点的靴子都没有。情况最好的是在原来的夏装外面加了一件呢制大衣，但是大衣并非是人人都有。为了得到一件过冬的大衣，德国军队开始对苏联平民进行大规模地屠杀，血洗苏联的村镇……于是成千上万的士兵被冻伤，感染上了各种疾病，甚至被冻残废了。由于食用冰冷的食物，有些人餐后呕吐，有些人得了胃病，有些人得了斑疹伤寒。士兵们至少要有两人以上结伴而行，这样可以观察对方是否出现了冻伤的征候。伤员一倒下去就会死亡，这并不是由于伤势过重，而是由于失血引起了休克和冻伤。
可怕的严寒冻坏的不仅仅是士兵的身体，还使机器停止运转，武器失灵。严寒使德国人的武器装备故障、损耗及燃料浪费大幅度地增加，没有防寒罩车辆的发动机就会在行驶过程中被冻坏；火炮助退辅进器里的液体都凝固了；光学瞄准仪和望远镜的镜片模模糊糊失去了作用；履带式车辆没有防滑剂就会在冰上打滑；各种车辆、武器因无防冻设备而无法使用，惟一好用的只剩下迫击炮。与之相反，苏军则完全是另一副样子，红军战士头戴皮质棉帽，身着棉装又配大衣，足蹬高帮军靴，武器全部有冬季特製的润滑油保护，而且苏军新配备着当时德军坦克根本无法匹敌的T-34和T-35坦克（直到德军调来88毫米速射高射炮才缓解了T-34的危机）。苏联的严寒与泥泞；疲惫与伤病；以及源源不断、没有穷尽地重组的和从西伯利亚调来的苏军师团……
希特勒的闪电战最终在一九四一年苏联的冬天里陷入了泥沼。及至零下52度时，德军已经完全不能作战，坚硬如铁的冰封地面又根本无法构筑工事，只能眼睁睁地看着苏军冲向自己的阵地。
在苏联的冰天雪地里，面对着红军疯狂而顽强抵抗，莫德尔的第41摩托化军同样蒙受着巨大的损失，他们筋疲力尽，伤亡越来越大，补结日益减少，燃料弹药的运输中断。十二月一日，莫德尔部第41军所辖的第1装甲师已经推进到距离莫斯科二十多公里的地方，用望远镜能看到城市的轮廓，其先头部队在夜间已经看得见俄军防卫克林姆林宫高射炮部队发出的炮火。
诚然，莫德尔将军的部队并不是最接近莫斯科的德国军队，十二月三日，中路进攻的第4集团军第20军第258步兵师第258侦察营在付出重大代价以后攻占了莫斯科郊外的红波利亚纳镇。中央集团军群司令陆军元帅博克随即赶到该地，他在塔楼顶部用望远镜观看到了克里姆林宫尖顶的红星。这是博克元帅本人乃至德国军队第一次也是最后一次看到莫斯科。
十二月四日，苏德双方在距莫斯科大约二十七公里的红波利亚纳地区展开激战，惨烈的战斗持续了一整天，红波利亚纳镇（现改名为希姆基镇）成为双方争夺的焦点，镇内是血腥的巷战，镇外则展开坦克战，几易其手。厮杀直到天黑，德军终于被逐出，一口气撤退了六公里，俄国第16集团军攻占了该镇。第二天（即十二月五日）被称为整个莫斯科战役中“最关键性的一天”（或“最黑暗的一天”），大雪铺天盖地，整个战区一片银白，德军在环莫斯科周围的三百二十公里的半圆形阵地上全线受挫。莫德尔得到了中央集团军群司令博克元帅的命令：与俄军脱离接触，撤退到伊斯特拉至克林以东的防线。十二月五日开始的红军强大的反攻击溃了已经非常虚弱的德军，三百五十架保养良好俄国战机对德军的机场发起了突袭，长期处于作战状态的德国飞机得不到养护，在恶劣的天气中根本无法起飞，只好任凭着俄国人的蹂躏。据苏联方面统计，他们共击毁了一千四百架敌机，绝大部分是地面目标。
十二月六日，七个集团军两个骑兵军合计一百个师的红军从一千公里的战线上全线出击。在莫德