在美国对莫斯科城下苏军的反攻进行报道时，这场反击战已经开始了一个月整。从1941年12月5日起，莫斯科城下的预备队方面军、加里宁方面军、西方面军和几乎被打空的布良斯克方面军在朱可夫、科涅夫和铁木辛哥的指挥下开始对德军进行全面的反击。
这场反击在时机的选择上可谓精准，12月4日德军才停止对莫斯科的进攻转为防御，第二天苏军就开始发起大规模进攻了，德国人无论是心理上还是现实中都被打了个猝不及防。
从常理上说，德国的中央集团军群虽然进攻无力，但其实力仍在，蒙受了巨大损失的苏军理应趁德军停止进攻收缩防线、巩固防守，德国佬完全没有想到苏联人会如此果断地发起反击，前线的博克、莱因哈特和古德里安等人一时都被打懵了。
而德军的情况也非常不利。德军前一天才停止进攻、展开防御，一整个中央集团军群兵力都非常集中，正适合被包围，而其下各军下属的师、团也大多忙于由进攻转为防御。装甲纵队尚未展开，许多关键的防御节点仍未占领，即使已占领的防御地带，也因缺乏工具而难以掘开冻土构筑工事。
因此当苏军实施反攻的时候，大量交通要道无人把守，突击部队轻轻松松就将将德军分割的七零八落。而在主力部队之外，尚有神出鬼没的西伯利亚援军，他们身披白色伪装服，借助雪橇和滑雪板穿过德军寻常难以通过的密林与沼泽，直接突袭德军后方的指挥所、仓库和野战机场，给德国人玩了一手“滑雪板闪击战”。
其结果就是，苏军执行反攻任务的三个半方面军（布良斯克方面军已经打残了）都在6日取得了相当大的突破。第30集团军深入德军阵线近20公里，将第三装甲集群的后方搅得天翻地覆。德军第56摩托化军的指挥部都遭到了袭击，军长沙尔只能亲自提枪上阵指挥20毫米防空炮反击，才避免沦落到指挥部被端的下场。
在美国珍珠港遭袭的第二天，即1941年12月8日，德军中央集团军群司令被迫向国内报告，声称“由于苏军的巨大兵力优势”（这个优势实际上是德军将领们幻想出来的）和严寒，前线部队如今已经无法在任何一个方向上击退苏军的进攻。
不过苏军虽然在战略上打了德军一个措手不及，并成功将德军第9集团军和第3装甲集群同中央集团军群主力分割开来。但苏军在战术上的问题仍然没有解决，战前侦察、各部队之间的协调还是那一团浆糊，重装备也不够。所以一旦德军开始稳住阵脚，依托不能动的坦克以及其他重装备原地固守，苏军拿他们也一时没有什么好办法。
苏军战斗序列中装备战斗力最强的是从属于西方面军的第16集团军，其司令员正是罗科索夫斯基，下辖的部队也都为劲旅：近卫第8步兵师（原潘菲洛夫指挥的第316师）、近卫第1坦克旅（原卡图科夫指挥的第4坦克旅），而且得到了方面军的优先补充，甚至拥有火箭炮的支援。
即使是这样的劲旅，在围攻克留科沃工人村的时候都吃了个大亏，卡图科夫的坦克旅甚至一度只剩下4辆坦克还能战斗。如此战况迫使其前线指挥列维亚金少将选择迂回战术，先截断了德国佬的补给线，才攻克了克留科沃的东北部分。
罗贝尔的老部队第427航空歼击机团也参加了这场战斗，并且击落了一架梅塞施密特。值得一提的是，这架梅塞施密特的飞行员降落伞没能成功打开，从2000米高度自由落体直坠大地，结果落在厚达两米的蓬松积雪上，竟然几乎没有受伤，让红军地面部队的战友们顺手抓了活口。
次日晚，防御克留科沃的德国军队陷入了总崩溃，两千多不成建制的溃兵从红军包围网的缺口涌出，苏军骑兵随即展开追击。德军上下猝不及防，前后有数百人被马刀这种原始的武器砍死。
被寄予厚望的西方面军攻势进展还算顺利，不被看好的铁木辛哥集群在莫斯科南部居然也取得了相当不错的战果。莫斯科南部的德军装甲部队（古德里安的第2装甲集团军）一路追击第13集团军，与后方部队（德军第2集团军）之间的距离越拉越大。尽管在12月6日停止了进攻，但骄横的德国侵略者同样完全没想到自己会遭遇苏军的反击。
德军进攻停止当天，铁木辛哥在莫斯科南部的反击开始了，铁木辛哥七拼八凑出来的“快速战役集群”（下辖近卫第1步兵师、第5骑兵军、第129坦克旅和第34摩托化旅，总兵力约两万人）猛插向德军第34军指挥部的侧翼和后方叶列茨，第13集团军和第3集团军也发动进攻以策应“快速战役集群”。
总的来说，铁木辛哥指挥的苏军实力从各个方面来讲都远弱于当面德军，但他们的攻势成功将德国人打了个猝不及防。许多正在村落里睡觉的德军步兵一触即溃，随后就被迂回的苏联骑兵在旷野中来回冲杀，损失相当之大。这些丢弃了几乎所有辎重的步兵即使逃过了苏联骑兵的追击，也没逃过苏联严酷的寒冬。当天下午，德军第二集团军便向集团军群总司令博克汇报：“部队冻伤者甚多”。
短短四天之内，莫斯科南部的苏军突击部队便向前推进了50公里，并将伊兹马尔科沃、罗索什诺耶、乌斯片斯科耶三角地带的德军第45、134、95步兵师彻底包围，迫使中央集团军群向南方集团军群求援（后者最后给了前者一个步兵师），并向该方向投入最后的预备队，以挽救被包围的四万德军，包围圈里的德军也开始进行疯狂的突围。
在突围过程中，德军第134师一部发扬了第2集团军的“优良传统”，如同几个月前突破伊普季河时一样，逼迫苏联平民走在前面给德国人挡子弹、趟地雷。但堵截他们的并非步兵，而是第5骑兵军的骑兵。于是该师突围部队被怒不可遏的苏军骑兵从侧后掩杀，被砍死的就有两百多人。
不过苏军穿插部队的火力和兵力毕竟有限，在德军建制全崩、四散奔逃的情况下，他们终究还是没能拦截住太多德军，铁木辛哥在这个包围圈里最终只消灭了不到四千人（也就是说十分之九的德国佬还是跑出去了），不过他们击毙了德军第134师的师长，还缴获了这三个师几乎全部的重装备。
打崩了德国的第2集团军，下一个就轮到古德里安的第2装甲集团军了。这部德军的情况相比较于先前挨揍的德国佬区别不大，只是多了一些没法开动的坦克而已。
德军防线上的每个缝隙都涌入了大量苏联生力军，苏军第1近卫骑兵军甚至在一日之内就攻克了韦尼奥夫和斯大林诺戈尔斯克两座城镇，将城镇里的德国佬赶到旷野上冻死。古德里安慌忙向其北方的第4集团军求援，自顾不暇的第4集团军只派了第137步兵师的4个营前往支援，结果四个营在路上正撞上苏军迂回部队，带队的布格曼师长本人都被击毙，支援自然也就无疾而终了。
无可奈何的古德里安决定跑路，结果在严寒的天气下士兵冻伤者甚多，仅一个师就上报有1800人冻伤。不过不幸的是，气温从12月8日起就回暖了，并在9号重新回升到最低气温零下-6摄氏度左右，没能将辎重全丢的德国佬都冻死。
面对一夜之间翻转的战况，极度失望的希特勒最终同意了博克的请求，下令中央集团军群开始撤退。在红军的攻势的巨大压力下，德军的撤退开始变得混乱，汽车、摩托车和步兵行军纵队拥堵在各条道路上。
然后，苏军的伊尔-2和雅克-1就来了。
1941年12月15日，苏军收复了克林，这次反击便基本接近尾声了。尽管苏军不愿放弃第3装甲集群这条大鱼，还死死地咬在后方穷追不舍，但连续作战的苏军官兵已经疲惫到了极点，而且又缺乏重装备，实在做不到歼灭这支部队了。
从12月6日苏军各部队发动反攻开始，德军损失了大量的兵力和装备。个别损失惨重的如第56和第41摩托化军，两个军加起来凑不出4个步兵营，第3装甲集团军全军只剩下了二十来辆坦克，重炮也丢了个精光。前一段时间在空中咄咄逼人，差点干掉罗贝尔的第3战斗机联队也丢掉了所有的飞机，不少飞行员还在步行撤退的途中还被苏军战机炸死。
到12月19日，德军已经被击退了90-110公里。在千万红军、红空军指战员的英勇斗争下，苏维埃社会主义共和国联盟的心脏莫斯科，终于安然无恙了。