Всего Жуков пробыл в Ленинграде около месяца, ценой титанических усилий и огромных жертв удалось не допустить взятия немцами города, но предотвратить блокаду города ему не удалось - слишком не равны были силы. Тем временем на Московском направлении сложило критическое положение, и Сталин срочно отозвал генерала в Москву. Приняв командование Западным фронтом, Жуков написал Жданову в Ленинград: «Как тебе известно, сейчас действую на Западном направлении – на подступах к Москве. Основное это то, что Конев и Буденный проспали все свои вооруженные силы, принял я от них одно воспоминание. От Буденного штаб и до 90 человек, от Конева штаб и 2 запасных полка. К настоящему времени сколотил приличную организацию и в основном остановил наступление противника, а в дальнейшем мой метод тебе известен: буду истощать, а затем бить.»
За несколько недель передышки, используя остатки Западного и Резервного фронтов, Жуков успел создать глубоко эшелонированную оборону, которая проходила через лесные массивы, примыкавшие к реке Нара, от Серпухова на юге до Наро-Фоминска и далее на север. Командование успело перебросить из Сибири свежие армейские корпуса и мобилизовать московских рабочих. Теперь войскам фон Бока, вымотанным в предыдущих сражениях и совершенно не готовым к ударившим вскоре морозам, предстояло наступать на неведомо откуда взявшиеся новые армии противника, который уже считался полностью разбитым.
Поскольку Жуков не располагал силами для создания сплошной линии фронта, он решил организовать прочную оборону вдоль дорог, по которым продвигался противник – на Волоколамском, Можайском, Малоярославском и Калужском шоссе. Однако, войск катастрофически не хватало: плотность советской обороны едва достигала батальона на 5 километров. 13 октября части вермахта ворвались в Калугу и продолжили наступление в направлении Малоярославца.
Гарнизон Малоярославского УРа состоял всего из запасного стрелкового полка и отряда курсантов Подольского пулеметно-артиллерийского училища, которые были не в состоянии противостоять превосходящим силам противника. 18 октября 41-го года после непродолжительного боя, в котором погибли почти все защитники города, Малоярославец пал. В тот же день немцы взяли Можайск, а 27 октября пал Волоколамск. К концу октября Можайская линия обороны Москвы была прорвана, противник вышел на ближние подступы к столице.
На северном фланге Жукова 14 октября немцы захватили Калинин. Через несколько дней Ставка выделила этот фланг Западного фронта в отдельный Калининский фронт, командовать которым был поставлен Конев. В ходе ожесточенных боев войска этого фронта не дали противнику прорваться о Ржева к Торжку. 15 ноября войска группы армий «Центр» двинулись прямо на Москву. Через пять дней температура резко понизилась, начался обильный снегопад, и темпы наступления танковых групп резко снизился. Бросив в бой последние резервы, немцы захватили город Клин и вышли на берег канала Москва-Волга. Здесь они были внезапно атакованы свежими советскими частями. Мороз усиливался и наступательная мощь танковых клиньев таяла на окровавленном снегу Подмосковья.
2 декабря 258-я пехотная дивизия вермахта прорвала оборону в районе Наро-Фоминска, и разведывательный батальон, состоявший из бронетранспортеров и мотоциклистов, подошел к окраинам Москвы в районе Шереметьева, но рано утром следующего дня эта группа была отброшена назад спецназом НКВД.
5 декабря войска Калининского, а 6 декабря – Западного и Юго-Западного фронтов перешли в наступление. Измотанная, вмерзающая в грунт группа армий «Центр» стала разваливаться на глазах. При отступлении немецкие войска оставляли в снегу ставшие бесполезными заглохнувшие танки и тяжелое вооружение, которые невозможно было вытащить из гигантских сугробов. Солдаты тысячами умирали от обморожения, и в конце концов даже Гитлер вынужден был дать согласие на отвод обеих танковых групп.
Согласованные удары армий Жукова заставили войска вермахта отойти на заранее подготовленные позиции на линии рек Лама и Руза. На этом рубеже 25 декабря 41-го года контрнаступление северного крыла Западного фронта закончилось. Непосредственная угроза Москве была ликвидирована. На южном фланге Жукова ударная группа 33-й армии во взаимодействии с 5-й армией восстановила положение по реке Нара, а 50-я армия отбила атаки противника севернее Тулы. К началу 1942 года советские войска вышли на рубеж Ржев, реки Лама и Руза, Боровск, Мосальск, Белев, Верховье, отбросив противника на 100-250 километров.