Sovětská vojska přecházela do protiútoku za těžkých podmínek. Přestože fronty západního směru byly zálohami hlavního stanu značně posíleny a doplněny, měl nepřítel stále ještě převahu v počtu vojáků, děl i tanků. Na počátku prosince měla skupina armád Mitte spolu s vojenským letectvem 1 780 000 lidí, asi 13 500 děl a minometů, 1 700 tanků a 615 letadel. Je vhodné upozornit, že Sovětský svaz musel udržovat na východě země silnou armádu, připravenou odrazit případný japonský útok.

Sovětská vojska měla asi 1,1 milionu lidí, přes 7 650 děl a minometů, 774 tanků (z toho 222 středních a těžkých) a 1 000 letadel. Toto jejich posílení zálohami bylo umožněno také proto, že se nenaplnilo německé očekávání o připojení Japonska k válce proti SSSR. Stalin správně vyhodnotil, že Japonsko po drtivé porážce u Chalchyn–Golu v roce 1939 nebude riskovat útokem na SSSR v době, kdy plánovalo zahájit válku proti USA. Německá vojska měla o 55 % více vojáků, o 76 % více děl a minometů a o 51 % více tanků. Jen v letectvu byla převaha na sovětské straně, která měla o 62 % více letadel než skupina armád Mitte. Ta byla při útoku na Moskvu nucena roztáhnout své síly na úseku širokém tisíce kilometrů. Úderná uskupení na křídlech byla od sebe vzdálena 200 i více kilometrů.

Sovětské velení dokázalo využít této nepříznivé situace Němců a soustředilo na křídlech skupiny armád Mitte svá úderná uskupení i podstatnou část své bojové techniky. Nedostatek sil a prostředků nedovolil vytvořit na směrech hlavních úderů výraznou početní převahu nad nepřítelem, což bylo vyváženo nenadálostí protiútoku. Hlavní stan zdařile použil skryté soustřeďování strategických záloh na směrech hlavních úderů. K nenadálosti přispělo, že útok začal bez přestávky, v průběhu těžkých obranných bojů, v situaci, kdy hitlerovská vojska po vyčerpání svých útočných možností nestačila přejít do obrany a vybudovat ji. Německé velení bylo přesvědčeno, že Rudá armáda nebude s to podniknout útočné akce.

5. prosince udeřila na nepřítele vojska na levém křídle Kalininského frontu. Druhý den přešly do protiútoku v součinnosti s leteckými svazky úderné skupiny Západního a části Jihozápadního frontu. Rozpoutaly se těžké boje na kalininském, tulském, solněčnogorském a jeleckém směru v šíři asi tisíc kilometrů. V prvních dnech bojovala útočící vojska o opěrné body a uzly odporu, jež nepřítel narychlo zřizoval ve městech a vesnicích. Tempo postupu bylo pomalé, projevoval se nedostatek tanků a děl. Překážkou byla i vysoká sněhová pokrývka, ztěžující manévr podél cest.

Přesto se 29. a 31. armády v první den bojů přepravily přes Volhu a obsadily spoje 9. německé armády, která držela Kalinin. 50. armáda zlomila nepřátelský odpor severozápadně od Dmitrova a vyrazila do týlu 3. a 4. tankové skupině nepřítele. Na tulském směru vojska Západního frontu rozdrtila nepřátelské posádky v několika obcích. V noci na 7. prosince osvobodila město Michajlovo.

Protiútok se zrychloval. 30. a 1. úderná armáda postupovaly na klinském směru, 20. armáda začala pronásledovat ustupujícího nepřítele na solněčnogorském směru a 16. armáda na isterském. Ještě s větším úspěchem útočila vojska frontu v prostoru Tuly. 10. armáda a 1. gardový jezdecký sbor, posílené tankovými jednotkami, rychle postupovaly směrem na Stalinogorsk. V mnoha armádách byly vytvořeny rychlé skupiny, které úspěšně obcházely nepřítele, což zvyšovalo účinnost úderů zasazovaných nepříteli.

12. prosince byly shrnuty první výsledky protiútoku Západního frontu. Vojenská rada hlásila vrchnímu veliteli: „Vojska frontu, jež v předcházejících bojích vyčerpala nepřítele, přešla 6. prosince do rozhodného protiútoku proti úderným uskupením na jeho křídlech. Obě tato uskupení byla poražena a za obrovských ztrát překotně ustupují, zanechávajíce na místě techniku a výzbroj. Do 10. prosince 1941 osvobodila sovětská vojska přes 400 obcí. V bojích bylo zničeno a ukořistěno velké množství děl, minometů, kulometů, tanků, střeliva a jiného materiálu.“

Urputné boje trvaly v útočném pásmu armád na pravém křídle Západního frontu. Když svazky 3. a 4. německé tankové skupiny utrpěly na bezprostředních přístupech k Moskvě porážku, pokoušely se zaujmout pevné postavení podél leningradské silnice. K tomuto účelu posílil nepřítel klinské uskupení a uskutečnil řadu prudkých protiztečí. Sovětská vojska však jeho nápor odrazila a pokračovala v útoku. 20. armáda osvobodila 15. prosince Klin. 5. armáda využila úspěchu armád na pravém křídle Západního frontu a připojila se k útoku. Její křídelní svazky překročily 11. prosince řeku Moskvu na úseku Zvenigorod–Tučkovo a zajistily zasazení 2. gardového jezdeckého sboru generála Dovatora do boje. Jezdectvo vtrhlo do týlu bránících se nepřátelských útvarů a pomohlo 16. armádě porazit isterské uskupení Němců. Generál Dovator v jednom z prudkých bojů s hitlerovci padl.

Armády na pravém křídle Západního frontu, jež pronikly k nepřátelské čáře obrany na Lamě a Ruze, narazily na houževnatý odpor hitlerovců. Pokusy svazků 1. úderné, 20. a 16. armády překonat nepřátelskou obranu byly marné. Musely se na dosažených čarách zakopat a zahájit přípravu k průlomu opevněných postavení.

Vojska na levém křídle Západního frontu 16. prosince úspěšně dokončila tulskou útočnou operaci, způsobila 2. tankové armádě těžkou porážku a v součinnosti s armádami na pravém křídle Jihozápadního frontu zahájila útok na kalužském, belevském a livenském směru. Významných úspěchů v protiútoku dosáhla i vojska na pravém křídle Jihozápadního frontu, jež porazila hlavní síly 2. polní armády.

3. armáda, 13. armáda a operační skupina generála Kostěnka pokračovaly v útoku zahájeném 6. prosince. Do večera 16. prosince postoupily o 80 až 100 kilometrů na čáru Ljubovka–Pavlovka–Livny a dále na jih. Za deset dnů pobily 16 000 nepřátelských vojáků a ukořistily 150 děl, 250 kulometů a mnoho další vojenské techniky. Bylo osvobozeno území s více než čtyřmi sty obcemi a města Jefremov a Jelec.

Vojska Kalininského, Západního a pravé křídlo Jihozápadního frontu po rozdrcení úderných svazků skupiny armád Mitte, jež pronikly na blízké přístupy k Moskvě ze severu a z jihu, úspěšně splnila do začátku ledna 1942 úkol, který jim uložilo vrchní velení. Dosažením čáry Seližanov–Ržev–Volokolamsk–Ruza–Mosalsk–Běljov– Mcensk–Novosil zatlačila nepřítele od Moskvy o 100 až 250 kilo¬metrů. Nebezpečí hrozící hlavnímu městu sovětského státu a moskevské průmyslové oblasti bylo zažehnáno.

V průběhu protiútoku osvobodila sovětská vojska 11 000 obcí a řadu měst, mimo jiné Kalinin a Kalugu, a odvrátila nebezpečí obklíčení Tuly. Za měsíc útoku bylo rozdrceno 11 tankových, 4 motorizované a 23 pěších divizí. Na bojištích u Moskvy zanechali němečtí agresoři stovky tanků a letadel, tisíce děl, kulometů a samopalů.

Rudá armáda podnikla útok v mimořádně složité situaci. Bojovalo se v terénu s vysokou sněhovou pokrývkou. Co však bylo nejdůležitější, sovětská vojska neměla početní převahu nad nepřítelem, neměla k dispozici tankové a mechanizované svazky. Potřeby vojsk nemohly být plně uspokojovány tak, jak vyžadovala situace. Zvláště byl nedostatek protitankových prostředků. Obzvláště tíživý byl u dělostřeleckého střeliva. (G. K. Žukov, Vzpomínky a úvahy, Svoboda 1971, s. 343.)

O výsledcích protiútoku rozhodla jeho nenadálost, houževnatost velení vojskům v úsilí o dosažení stanovených cílů, obětavost vojáků v bojích o opěrné body a uzly odporu. Neúnavné pronásledování ustupujícího nepřítele, smělé obcházení nepřátelských uskupení a hluboké průlomy do jejich týlu. Důsledkem velké bitvy u Moskvy byla porážka hlavních uskupení hitlerovských vojsk, což mělo velký vnitřní i mezinárodní význam. Sovětský lid byl povzbuzen vítězstvím Rudé armády u Moskvy, jež znamenalo začátek rozhodujícího obratu ve válce. To vše urychlovalo přestavbu národního hospodářství v souladu s válečnými úkoly.