根据“台风”计划，德军第2装甲集群9月30日在布良斯克方向，第3、第4装甲集群10月2日在维亚济马方向，相继开始了进攻。尽管苏军进行了顽强抵抗，德军仍然突破了防御。德军第2集团军突破了苏军第50集团军的防线，于1941年9月下旬夺取布良斯克。10月3日奥廖尔陷落。德军沿着奥廖尔-图拉的公路推进。莫斯科以西的维亚济马方向，西方面军和预备队方面军进行了艰苦的防御战斗。德军10月7日则进抵维亚济马地域，两方面军大部分军队在此陷入合围，一直顽强抵抗到10月12-13日。13日，苏军维亚济马集团大部被歼，被围军队一部后来突出重围，有的留在敌后开展游击斗争。布良斯克方面军陷于战役合围的困境后也向后退却，23日，苏军布良斯克集团大部被歼。德军在维亚济马—布良斯克战役中、俘虏苏军67万人。莫扎伊斯克防御线成了莫斯科接近地上的主要抵抗地区。4个集团军总共只有9万人左右。这些兵力不足以在整个地带建立坚固防御。为了改进军队指挥，西方面军和预备队方面军于10月10日合编为西方面军，朱可夫大将任司令。
10月月中-11月初，在莫扎伊斯克防御地区展开的多次激烈战斗中，苏军对德军优势兵力进行了顽强抵抗，将其阻止于拉马河、鲁扎河、纳拉河等地区。10月14日，德军突入了加里宁地域。10月17日，以西方面军右翼(第22、第29、第30、第31集团军)为基础组成了加里宁方面军(司令为科涅夫上将)。德军想从加里宁向东南发展进攻并前出西北方面军和西方面军后方的企图被粉碎。德军虽然对维亚兹马—布良斯克战役中消灭了大量的苏军有生力量，但随着天气的变冷秋雨把道路变成泥沼，几乎瘫痪了德军的进攻。德军于是被迫全线停止前进，以待大地封冻。德军暂时的停进使苏军赢得了宝贵的喘息时间。到10月底，苏军最高统帅部开始抽回一些部队作为预备队，使其得到必要的休息，新的预备队也在源源不断地赶到。10月末，前线如下：加里宁-库宾卡-谢尔普霍夫-阿列克辛-图拉。德军虽遭重大损失，但仍增调兵力，变更部署，企图在冬季到来以前合围并占领莫斯科。莫斯科成为德军的空袭目标。莫斯科防空部队同空中德军空军作了顽强斗争，10月间，德军对莫斯科进行了31次空袭，共有2000架飞机参加，其中278架被击落，只有72架闯入莫斯科上空。军队和劳动者在莫斯科近接近地构筑新防御地区，为构筑防御工事动员了45万首都居民，其中75%为妇女。莫斯科疏散许多政府机关和最重要的企业;10月20日，国防委员会在莫斯科及其附近地域实行戒严。当局命令居民在街道筑起防御工事，连克里姆林宫附近都不例外，组建新的民兵师，使全城做好巷战准备。苏联政府向东撤退到古比雪夫(现在的萨玛拉)，但斯大林仍然留在莫斯科。为了提升国民及军队的士气，斯大林命令在11月7日于红场举行纪念十月革命的阅兵式。队伍在克里姆林宫前检阅，然后直接开赴前线。苏军以预备队和补充兵员加强了西方面军。11月10日，布良斯克方面军撤销。各方面军受领命令扼守所占领的地区，阻止德军从西北和西南迂回莫斯科。
