Идея контрнаступления начала вырисовываться у советского командования еще в ноябре. Контрнаступление стало возможно за счет больших потерь вермахта и свежих кадровых дивизий, переброшенных с Дальнего Востока и из Сибири. Это были хорошо оснащенные и обученные войска, обладавшие высокой боеспособностью. Ход оборонительного сражения позволил сберечь их для нанесения ответного удара. Учитывались и погодные условия, поставившие немецкие войска в сложное положение из-за неподготовленности к зиме. Однако следует заметить, что войска СС (которыми по обыкновению затыкали дыры на фронте) и соединения Люфтваффе были обеспечены зимней одеждой и горюче-смазочными материалами.
В нанесении контрудара должны были участвовать Калининский фронт (Конев И. С), Западный фронт (Жуков Г. К.) и войска правого крыла Юго-Западного фронта (маршал Тимошенко С. К.). План контрнаступления учитывал, что войска группы армий «Центр» растянуты на тысячекилометровом фронте. При этом наступавшие немецкие ударные группировки оказались в оперативно опасном положении, глубоко вклинившись в боевые порядки советских войск.
Калининский фронт должен был нанести удар по войскам 9-й ПА, разгромить их и, освободив Калинин, выйти в северный фланг и тыл группе армий «Центр». Западному фронту Ставка приказала разгромить немецкие ударные группировки северо-западнее и южнее Москвы, нанеся поражение основным силам группы армий «Центр». Согласно плану Жукова фронт имел задачу внезапными охватывающими ударами разбить угрожавшие столице 3-ю и 4-ю т. гр. в районе Клин – Солнечногорск – Истра и 2-ю ТА (танковую армию) в районе Тула – Кашира, а затем охватить и разгромить 4-ю ПА, наступавшую на Москву с запада. Юго-Западному фронту предписывалось нанести поражение вражеской группировке в районе Ельца и содействовать Западному фронту в разгроме противника на тульском направлении.
Контрнаступление советских войск под Ростовом и Тихвином лишало немецкое командование возможности перебрасывать подкрепления к Москве.
Особенностью советского контрнаступления под Москвой являлось то, что силы Красной Армии количественно все еще не превосходили силы вермахта, за исключением самолетов. Для достижения превосходства в местах главных ударов внутри каждого из фронтов пришлось произвести серьезные перегруппировки, оставив на второстепенных участках минимальное количество сил.
Переход в контрнаступление происходил без оперативной паузы и стал полной неожиданностью для руководства вермахта. Первым 5 декабря 1941 г. перешел в наступление Калининский фронт. 6 декабря началось наступление Западного и Юго-Западного фронтов.
Калининский фронт наносил удар 29-й армией генерала И. И. Масленникова и 31-й генерала армией В. А. Юшкевича. 29-я армия наносила удар юго-западнее Калинина, 31-я – южнее. 29-я армия, перейдя Волгу по льду, вклинилась в оборону 9-й ПА на глубину 1–1,5 км. 31-я армия после трехдневных упорных боев прорвала оборону противника на Волге южнее Калинина и к исходу 9 декабря взяла под контроль железную дорогу Калинин – Москва. 13 декабря соединения армий Калининского фронта сомкнулись юго-западнее Калинина, отрезав пути отхода калининской группировке противника. 16 декабря Калинин был полностью очищен от противника. Немцы потеряли только убитыми свыше 10 тыс. солдат и офицеров. Советские войска захватили большие трофеи.
6 декабря войска правого крыла Западного фронта (30-я, 1-я ударная А, 20, 16 и 5-я армии) во взаимодействии с Калининским фронтом начали наступление против 3-й и 4-й т. гр. немцев. 30-й армии предстояло нанести главный удар из района юго-западнее Волжского водохранилища в общем направлении на г. Клин, во фланг и тыл 3-й т. гр. Начавшая наступление утром 6 декабря армия, усиленная шестью сибирскими и уральскими дивизиями, прорвала оборону врага севернее Клина. Вот как вспоминал о начале контрнаступления Д. Д. Лелюшенко: «Ровно в шесть утра 6 декабря без артиллерийской и авиационной подготовки, без криков «ура!» армия в белых маскировочных халатах перешла в контрнаступление. Вскоре начала доноситься с передовой учащающаяся пулеметно-автоматная стрельба. Небо прочерчивали ракеты. Через час-полтора начали поступать первые боевые донесения об успешном продвижении вперед. К рассвету на главном направлении армия прорвала оборону противника до пяти километров в глубину и до двенадцати по фронту. Враг был застигнут врасплох, ошеломлен. Он не мог сразу определить, что происходит: частная операция или большое контрнаступление. Не смог установить и численность наступающих…»