Немецкие войска наносят мощный внезапный удар по всей западной советской границе тремя крупными группами армий: «Север», «Центр» и «Юг». В первый же день уничтожена или захвачена значительная часть советских боеприпасов, горючего и военной техники; уничтожено около 1200 самолётов. 23—25 июня советские фронты пытаются нанести контрудары, однако терпят неудачу.

К концу первой декады июля немецкие войска захватывают Латвию, Литву, Белоруссию, значительную часть Украины и Молдавии. Основные силы советского Западного фронта разгромлены в Белостокско-Минском сражении.
Советский Северо-Западный фронт потерпел поражение в приграничном сражении и отброшен. Однако советский контрудар под Сольцами 14–18 июля привёл к приостановке немецкого наступления на Ленинград почти на 3 недели.
22 июня в шесть часов утра советские самолеты бомбят Хельсинки. [11] 25 июня советские самолеты бомбят финские аэродромы. 26 июня в контрнаступление переходят финские войска и вскоре возвращают себе Карельский перешеек, ранее захваченный Советским Союзом. Не переходя старую историческую российско-финскую границу на Карельском перешейке. 29 июня германо-финские войска предпринимают наступление в Заполярье, но продвижение вглубь советской территории остановлено.
На Украине советский Юго-Западный фронт также терпит поражение и отброшен от границы, но контрудар советских мехкорпусов не позволяет немецким войскам совершить глубокий прорыв и захватить Киев.

В новом наступлении на центральном участке советско-германского фронта, предпринятом 10 июля, группа армий «Центр» уже 16 июля захватывает Смоленск и окружает основные силы воссозданного советского Западного фронта. На волне этого успеха, а также учитывая необходимость поддержать наступление на Ленинград и Киев, 19 июля Гитлер, несмотря на возражения армейского командования, отдаёт приказ перенести направление главного удара с московского направления на южное (Киев, Донбасс) и северное (Ленинград)[12]. В соответствии с этим решением танковые группы, наступавшие на Москву, выведены из состава группы «Центр» и направлены на юг (2-я танковая группа) и на север (3-я танковая группа). Наступление на Москву должны продолжить пехотные дивизии группы армий «Центр», однако сражение в районе Смоленска продолжалось, и 30 июля группа армий «Центр» получила приказ перейти к обороне. Таким образом, наступление на Москву отложено.

8–9 августа группа армий «Север» возобновила наступление на Ленинград. Фронт советских войск рассечён, они вынуждены отходить по расходящимся направлениям к Таллину и Ленинграду. Оборона Таллина сковала часть немецких сил, однако 28 августа советские войска вынуждены начать эвакуацию. 8 сентября, с захватом Шлиссельбурга, немецкие войска берут Ленинград в кольцо.
Однако новое немецкое наступление с целью захвата Ленинграда, предпринятое 9 сентября, не привело к успеху. К тому же основные ударные соединения группы армий «Север» вскоре должны были быть высвобождены для нового наступления на Москву.
Не сумев взять Ленинград, группа армии «Север» 16 октября предпринимает наступление на тихвинском направлении, намереваясь соединиться с финскими войсками восточнее Ленинграда. Однако контрудар советских войск под Тихвином останавливает противника.

На Украине в начале августа войска группы армий «Юг» отрезают от Днепра и окружают под Уманью две советские армии. Однако захватить Киев им снова не удалось. Только после поворота войск южного фланга группы армий «Центр» (2-й армии и 2-й танковой группы) на юг положение советского Юго-Западного фронта резко ухудшилось. Немецкая 2-я танковая группа, отразив контрудар Брянского фронта, форсирует Десну и 15 сентября соединяется с 1-й танковой группой, наступавшей с Кременчугского плацдарма. В результате сражения за Киев оказался полностью разгромлен советский Юго-Западный фронт.
Катастрофа под Киевом открыла немцам путь на юг. 5 октября 1-я танковая группа вышла к Азовскому морю у Мелитополя, отрезав войска Южного фронта. В октябре 1941 немецкие войска захватывают почти весь Крым, кроме Севастополя.
Поражение на юге открыло немцам дорогу на Донбасс и Ростов. 24 октября пал Харьков, к концу октября были заняты основные города Донбасса. 17 октября пал Таганрог. 21 ноября 1-я танковая армия вошла в Ростов-на-Дону, достигнув, таким образом, целей плана «Барбаросса» на юге. Однако 29 ноября советские войска выбивают немцев из Ростова (См. Ростовская операция (1941)). До лета 1942 линия фронта на юге устанавливается на рубеже р. Миус.

Советские солдаты в снегах Подмосковья30 сентября 1941 немецкие войска начинают наступление на Москву. В результате глубоких прорывов немецких танковых соединений основные силы советских Западного, Резервного и Брянского фронта оказались в окружении в районе Вязьмы и Брянска. Всего в плен попало более 660 тыс. человек. Остатки Западного и Резервного фронтов 10 октября объединяются в единый Западный фронт под командованием генерала армии Г. К. Жукова.
15–18 ноября немецкие войска возобновляют наступление на Москву, однако к концу ноября остановлены на всех направлениях.

5 декабря 1941 Калининский, Западный и Юго-Западный фронты переходят в контрнаступление. Успешное продвижение советских войск заставляет противника перейти к обороне по всей линии фронта. В декабре в результате наступления войска Западного фронта освобождают Яхрому, Клин, Волоколамск, Калугу; Калининский фронт освобождает Калинин; Юго-Западный фронт — Ефремов и Елец. В итоге к началу 1942 немцы отброшены на 100—250 км на запад. Поражение под Москвой стало первым крупным поражением вермахта в этой войне.

Успех советских войск под Москвой побуждает советское командование перейти в широкомасштабное наступление. 8 января 1942 силы Калининского, Западного и Северо-Западного фронта переходят в наступление против немецкой группы армий «Центр». Им не удаётся выполнить поставленной задачи, и после нескольких попыток, к середине апреля, приходится прекратить наступление, понеся большие потери. Немцы сохраняют Ржевско-Вяземский плацдарм, представляющий опасность для Москвы. Попытки Волховского и Ленинградского фронтов деблокировать Ленинград также не увенчались успехом и привели к окружению в марте 1942 года части сил Волховского фронта.