Залечив раны, 4-я танковая дивизия немцев через несколько дней возобновила наступление на Мценск и 11 октября подошла к окраине города. Командир корпуса Геир хотел было заменить 4-ю танковую дивизию 3-й танковой и частями 10-й моторизованной дивизии, но из-за осенней распутицы это повлекло бы за собой минимум двухдневную задержку и возвращение дивизии обратно в Орел, поэтому 4-я танковая продолжала идти в авангарде. Время от времени шел снег и таял, упав на землю. Грязь делала возможным движение лишь по шоссе, и танки и автомашины шли со скоростью около 10 километров в час. Вечером 11 октября, когда передовые части дивизии вступили в охваченное пожаром предместье Мценска, дивизия растянулась по шоссе километров на двадцать, а приданная ей артиллерия и пехотные части оказались почти за пределами радиосвязи. Именно этот момент Катуков выбрал для нового контрудара. Танки Т-34 устремились вперед. Почва с наступлением сумерек начала подмерзать, широкие гусеницы Т-34 позволяли пройти там, где тяжелые немецкие танки Т-IV садились на бронированное брюхо.
Удар русских танкистов был стремительным и свирепым. Немецкая колонна оказалась рассеченной на части, которые затем были методично уничтожены. Башенные стрелки 4-й танковой дивизии, боевой дух которых был надломлен еще в первом столкновении с бригадой Катукова, вновь видели, как их снаряды отскакивают от покатой брони советских танков.
4-я танковая дивизия была, по существу, уничтожена и защитники Тулы получили важную передышку. Помимо своего тактического значения эта схватка дала Гудериану основание для зловещего вывода: «До настоящего времени мы пользовались превосходством в танках. Но отныне положение радикально изменилось».
Гудериан пишет затем: «Я составил доклад по поводу этой новой для нас ситуации и направил его командованию группы армий. Я описал без обиняков явное превосходство Т-34 над нашим танком Т-IV и сделал соответствующие выводы, как это в будущем должно отразиться на производстве наших танков. В заключение я подчеркнул необходимость немедленной присылки на мой участок фронта комиссии, составленной из представителей управления вооружений сухопутных войск, министерства вооружений, конструкторов танков и танкостроительных фирм… которая могла бы осмотреть уничтоженные танки на поле боя… и выслушать советы танкистов, которым приходится пользоваться этими танками, что следует предусмотреть в конструкции наших новых танков. Я также попросил о быстром налаживании производства противотанковых орудий, обладающих достаточной пробивной силой, чтобы вывести из строя Т-34».
Генерал Байерлейн, командовавший боевой группой в 39-м танковом корпусе, автор одного из лучших описаний этого этапа немецкого наступления, жалуется на воздействие реактивных минометов «катюша», которые впервые начали широко применяться русскими, на боевой дух немецких войск, а также на возросшую активность советских военно-воздушных сил. «Русские атаковали нас одиночными самолетами любого типа даже в самые неблагоприятные погодные условия, в то время как мы сами не получали защиты со стороны люфтваффе…»
После трех недель наступления через грязь и минные поля, в ходе которого линии снабжения нарушились, многие танки и автомашины вышли из строя, а потери быстро росли, фон Бок понял, что его армиям перед финальным броском на Москву необходима перегруппировка. 27 октября Геббельс сообщил на пресс-конференции сбитым с толку журналистам (которым всего лишь две недели назад он объявил, что война закончена), что «наступление временно приостановилось из-за погоды».
На этом фоне неудач, разочарований и забуксовавшего наступления 12 ноября в Орше, где находилась штаб-квартира фон Бока, было созвано совещание начальников штабов армий группы «Центр». Это был один из решающих моментов в истории вермахта. Перед старшими немецкими офицерами стоял вопрос: следует ли проявить благоразумную осторожность, разместить войска на «зимних квартирах», восстановить их боеспособность и спокойно спланировать следующий этап кампании? Или рискнуть и бросить все оставшиеся у немцев силы против Красной Армии в условиях надвигавшейся зимы? Сведения о состоянии Советских Вооруженных Сил были весьма приблизительные и основаны по большей части на оценках, которые уже оказались ошибочными. Сомнений в том, что зима близка, быть не могло, однако никаких мер по подготовке к ведению наступательной кампании в условиях зимы, помимо первых ориентировочных запросов относительно потребностей в зимнем обмундировании, не принималось. Совещание проходило в специальном поезде Гальдера, стоявшем на запасном пути около железнодорожного вокзала. На совещании начальник генерального штаба ОКХ объявил о решении возобновить наступление на Москву, и, хотя после своего выступления он пригласил присутствовавших высказать замечания, было ясно, что имеется в виду обсудить частности, а не существо решения. Гальдер уже привез с собой «приказ об осеннем (!) наступлении 1941 года», который после совещания без изменений был разослан в соответствующие армии.