5 декабря 1941 года в ходе Битвы за Москву советские войска перешли в контрнаступление. Первое крупное поражение немецкого вермахта стало одним из поворотных пунктов в отечественной истории.
Подготовка к контрнаступлению велась в обстановке полной секретности. С боевыми документами были ознакомлены только командующие армиями, начальники штабов армий и члены Военных советов. Получив информацию от резидентуры в Японии о том, что на Дальнем Востоке нападения ждать не следует, Ставка перебросила под Москву 10 дивизий.
Передвижение резервов советских войск к северу и югу от Москвы не укрылось от германской разведки, однако адекватной оценки немецкое командование этим сведениям дать не смогло. Так, 4 декабря командующий группой армий "Центр" генерал-фельдмаршал Федор фон Бок на доклад разведки о появлении свежих резервов у РККА отреагировал следующим образом: "...Боевые возможности противника не столь велики, чтобы он мог этими силами <...> начать в настоящее время большое контрнаступление". До начала контрнаступления при этом оставалось менее суток.
На рассвете 5 декабря начали наступление соединения левого крыла Калининского фронта (командующий — генерал-полковник Иван Конев), в середине дня нанесли удар части правого фланга 5-й армии. 6 декабря перешли в наступление части Западного (командующий — генерал армии Георгий Жуков) и Юго-Западного фронтов (командующий — маршал Семен Тимошенко); 7 декабря — соединения правого фланга и центра 16-й армии, а также оперативная группа генерал-лейтенанта Ф.Я. Костенко; 8 декабря — левофланговые соединения 16-й армии, оперативная группа генерал-лейтенанта П.А. Белова, 3-я и 50-я армии.
Уже 8 декабря Гитлер подписал директиву о переходе к обороне на всем советско-германском фронте. Немецкая пропаганда объяснила неудачу под Москвой жесточайшими морозами. Однако на самом деле мороз до минус 30–38 градусов стоял всего три дня, с 5 по 7 декабря. До этого времени температура была минус 5–7 градусов, реки стояли замерзшими, грязь также замерзла, что создавало благоприятные условия для маневрирования наступающих войск. После 7 декабря столбик термометра поднялся до нулевой отметки. Немецкие рассказы о страшных морозах — лишь попытка оправдать неготовность армии к войне в зимних условиях.
Войска 30-й армии под командованием генерал-майора Дмитрия Лелюшенко прорвали фронт обороны противника и с северо-востока приближались к Клину, создав угрозу флангового удара. 7 декабря в район Клина немцы перебросили шесть танковых дивизий. Это замедлило наступление советской 30-й армии, но другим войскам Западного фронта облегчило ведение боевых действий.
Битва за Москву длилась с конца сентября 1941 года до середины апреля 1942 года. Потери РККА составили около 900 тысяч человек, потери немецкой стороны — более 450 тысяч человек. В результате битвы угроза захвата или окружения Москвы была ликвидирована, немцев отбросили от советской столицы на 150–200 километров. Московское сражение стало одной из самых крупных битв Великой Отечественной войны