На волоколамском направлении немцы наступали на позиции 30-й и 16-й армий. Так уже в первый день нового немецкого наступления у разъезда Дубосеково, что в 7 км юго-восточнее Волоколамска произошел исторический бой 2-го батальона 1075 стрелкового полка 316 дивизии генерала Панфилова с 50 немецкими танками. В ходе ожесточенного боя было подбито и сожжено 24 вражеских танка и более чем на 4 часа задержана танковая группа противника, что не позволило ей в этот день прорваться к Волоколамскому шоссе, ведущему к Москве. Наиболее массированный танковый удар пришелся по 4-й роте, которая уничтожила 14 танков. Многие воины батальона погибли, но части дивизии сумели отойти на заранее подготовленный рубеж обороны. В те дни всю страну облетели слова политрука Клочкова: «Велика Россия, а отступать некуда, позади Москва». В этих же боях под Волоколамском погиб генерал И.В. Панфилов. Позже 28 воинам из 2-го батальона было присвоено звание Героя Советского Союза. Этот бой и вошел в историю как подвиг 28 героев-панфиловцев.
Большую помощь героям панфиловцам и всем бойцам, оборонившим Москву, помогало в борьбе с немецкими танками новое оружие – противотанковое ружье. К осени 1941 г. на вооружение пехотных подразделений поступили два мощных по тому времени противотанковых ружья калибра 14,5 мм: противотанковое самозарядное ружье системы Симонова (ПТРС) и противотанковое однозарядное ружье системы Дегтярева (ПТРД). Это были простые и достаточно надежные средства борьбы с легкими (Т-I, Т-II) и средними (Т-III) танками противника.
За три недели боев немецкие войска продвинулись на волоколамском направлении на 50-80 км, заняв города Клин, Солнечногорск и Истру, но не добились решительного успеха. Ближе всего немцы подошли к Москве в районе деревни Крюково (23 км северо-западнее столицы). Им удалось дойти и до Волго-Московского канала в районе Красных Полян, где уже немецкие генералы из биноклей видели башни Кремля, но вскоре они были выбиты оттуда контратакой советских войск. В ночь с 30 ноября на 1 декабря колона немецких мотоциклистов прорвалась через канал Москва–Волга и подошли к городу Химки. Но штыковой атакой сводного офицерского полка курсантов Военно-политической академии немцы были сброшены с этого берега и моста. При этом пали все до единого 1500 офицеров полка в звании от капитана и выше.
Безуспешными были попытки врага пробиться к Москве с юга. Обойдя Тулу с северо-востока, 2-я танковая армия Гудериана захватила города Узловую, Сталиногорск, Венев, Михайлов. Но пробиться к линии реки Оки они не смогли. Получив подкрепление танковыми и кавалерийскими дивизиями, 50-я армия остановила наступление немцев с юга. Одновременно потерпела неудачу попытка окружить Тулу с севера.
Наконец, командование группы армий «Центр», не добившись решающего успеха на флангах, в первых числах декабря попыталось пробиться к Москве вдоль магистрали Москва-Минск. Но враг был остановлен частями 5-й и 33-й армий в сражениях под городом Наро-Фоминском около деревень Акулово и Головеньки. В этих боях противник потерял более 10 тыс. человек и 50 танков.
Ко всему, в начале декабря неожиданно ударили сильнейшие морозы, отказывало немецкое автоматическое оружие, синтетическое топливо разлагалось в баках, немецкие солдаты умирали под шинелью и в форменных ботинках от морозов. В зиму 1941–1942 гг. морозы достигали 40o
C.В этих условиях Гитлер приказал остановить второе наступление на Москву, оно обошлось немецкому командованию гораздо большими потерями, чем первое. Всего немецкое наступление на Москву обошлось вермахту потерей 55 тыс. человек убитыми и замерзшими и свыше 100 тыс. чел. раненными и обмороженными. Было подбито 777 танков и сбито 1500 самолетов. Этот урон немецкая армия уже не могла быстро восполнить. Но отстоять Москву пришлось большими потерями и для Красной армии (безвозвратные потери составили 514 тыс. человек, санитарные – 144 тыс. человек).
Контрнаступление Красной армии под Москвой, боевые действия на других фронтах
В то время, когда советские войска отбивали второе наступление немцев на Москву. Ставкой были подготовлены еще 4 новые армии и 2 кавалерийских корпуса, в основном за счет прибывших с востока страны резервов.
Уже в конце ноября – начале декабря 1941 года нашими войсками был проведен ряд контрударов на Западном и Юго-Западном фронтах. В общее контрнаступление под Москвой Красная армия перешла 5 и 6 декабря 1941 года. Закончилось это контрнаступление на Западном стратегическом направлении 7 января 1942 года.