Pada 5 Desember 1941, setelah melihat gerak lambat pasukan Jerman dan mulai melemahnya semangat tempur mereka, Marsekal Zhukov kemudian melancarkan serangan balik terbesar terhadap tentara Jerman. Serangan balik dilakukan di semua sektor garis depan Moskwa pada tanggal 6 Desember 1941. Sepanjang musim gugur, Zhukov secara diam-diam memindahkan tentara Soviet dari Divisi Siberia yang masih segar dan bersenjata lengkap untuk mempertahankan Moskwa. NamunPenggunaan Divisi Siberia ini berdasarkan logika bahwa orang Siberia adalah orang yang tahan, keberadaanatau setidaknya, bisa bertahan dalam cuaca dingin. Keberadaan pasukan ini sengaja ditahan, sampai tiba saatnya dilepas untuk melakukan serangan pada tanggal yang telah ditentukan. Zhukov mengandalkan informasi dari [[Richard Sorge]], seorang spion Soviet, yang mengatakan bahwa Jepang tidak akan menyerang Uni Soviet. Informasi ini dipercaya, karena sebelumnya Sorge pernah memberikan informasi tepat mengenai invasi Jerman ke Uni Soviet (Operasi Barbarossa). Disaat tentara Jerman sudah terlalu dekat dengan pusat kota Moskwa, Zhukov langsung memerintahkan divisi Siberia tersebut untuk menghadapi Jerman. Divisi tersebut yang dilengkapi dengan tank T-34 dan peluncur roket Katyusha baru serta telah siap dengan musim dingin berhasil memukul mundur pasukan Jerman yang telah kehabisan tenaga, lelah dan mengalami demoralisasi sebagai akibat musim dingin dan terlalu lama di medan perang. Pasukan Jerman dalam serangan tersebut berhasil dipukul mundur hingga 100 sampai 250 kilometer dari kota Moskwa pada tanggal 7 Januari 1942.
Pada bulan April 1942 Unitentara Soviet kembali mengonsolidasikan diri setelah berhasil memukul mundur pasukan Jerman. Setelah serangan balik itu, tentara Jerman tidak dapat lagi melakukan serangan dan malahan harus terus mundur. Mundurnya pasukan Jerman ini tidak lagi akan mengancam kota Moskwa lagi. Kemenangan dalam pertempuran ini meningkatkan semangat tentara dan rakyat Soviet, sedangkan bagi Jerman, kekalahan tersebut pada akhirnya membuktikan bahwa tidak selamanya tentara Jerman tak terkalahkan dan kekalahan mereka dalam pertempuran ini menunjukan kegagalan dari taktik perang ''blitzkrieg''. Setelah pertempuran itu, Jerman mau tak mau harus mempersiapkan diri dalam pertempuran panjang dan berdarah dalam menghadapi Uni Soviet. Namun kali ini, Soviet-lah yang mengambil inisiatif pertempuran.
Menurut sumber terpercaya [http://users.erols.com/mwhite28/battles.htm#Battles sources], sekitar 700.000 Tentara Merah terbunuh, luka atau hilang dalam fase pertahanan dan serangan balik dan sekitar 250.000 tentara poros terbunuh, hilang atau luka-luka sepanjang pertempuran berlangsung. Untuk mengenang kepahlawanan ini, Kota Moskwa dianugerahi penghargaan Kota Pahlawan pada tahun 1965, khusus untuk memperingati 20 tahun kemenangan Soviet atas Nazi Jerman pada tahun 1945.
