К началу декабря выдохся последний штурм Москвы, немецкое командование исчерпало все свои резервы и стало переходить к обороне. Командующий немецкой 2-й танковой армией Г. Гудериан был вынужден признать, что наступление группы армий «Центр» на Москву провалилось. Советское командование правильно определило этот момент и нанесло контрудар. 5—6 декабря 1941 года началось контрнаступление советских войск в битве под Москвой. В наступлении участвовали войска Калининского фронта под началом генерал-полковника И. С. Конева, Западного фронта под командованием генерала армии Г. К. Жукова и правого крыла Юго-Западного фронта - маршала С. К. Тимошенко.

Бои с самого начала приняли ожесточённый характер. 8 декабря главнокомандующий немецкими вооруженными силами Адольф Гитлер был вынужден подписать директиву № 39 о переходе к обороне на всём протяжении советско-германского фронта. Красная Армия, несмотря на отсутствие превосходства в живой силе, танках и орудиях, трудные природные условия, уже в первые дни контрнаступления пробила оборону немецких войск южнее Калинина и северо-западнее Москвы, перерезав железную дорогу и шоссе Калинин — Москва и освободив ряд населенных пунктов.

Надо отметить, что советские войска добились победы, уступая противнику в числе солдат и технических средств. Личный состав: Красная Армия – 1,1 млн. человек, вермахт – 1,7 млн. (соотношение 1:1,5); танки: 744 против 1170 (соотношение в пользу немцев 1:1,5); орудия и миномёты: 7652 против 13500 (1:1,8).

Одновременно с войсками, которые наступали северо-западнее советской столицы, перешли в контрнаступление части левого крыла Западного и правого крыла Юго-Западного фронтов. Мощные удары советских войск по фланговым группировкам немецкой группы армий «Центр», которые предназначались для охвата и окружения Москвы, заставили командование противника принять меры по спасению своих сил от полного разгрома.
9 декабря 1941 года Красная Армия заняла Рогачево, Венев и Елец. 11 декабря советские войска освободили Сталиногорск, 12 декабря — Солнечногорск, 13 декабря — Ефремов, 15 декабря — Клин, 16 декабря — Калинин, 20 декабря — Волоколамск. 25 декабря красноармейцы на широком фронте вышли к Оке. 28 декабря противник был выбит Козельск, 30 декабря из Калуги, в начале января 1942 года освобождены Мещовск и Мосальск.