К началу декабря соотношение сил на фронте существенно изменилось. Немецкие части были измотаны и обескровлены. В то же время Красная армия получила значительное подкрепление за счет войск, переброшенных из Сибири и с Дальнего Востока. Это были хорошо оснащенные и обученные дивизии, отличавшиеся высокой боеспособностью. Советское командование до последней возможности приберегало их для организации контрнаступления, даже в самые тяжелые дни, когда на подступах к Москве погибали плохо вооруженные полки ополченцев и курсанты московских военных училищ.

Ряд современных российских исследователей считает, что советская историография завышала численность немецких войск и занижала численность своих. Так, по оценке Б.В.Соколова, за счет мобилизации и переброски войск из Сибири и с Дальнего Востока численность Красной армии на советско-германском фронте к началу декабря 1941 г. достигла 6,2 млн. человек, несмотря на огромные потери, составившие с начала войны более 5 млн. человек (в том числе 3,9 млн. пленных). Таким образом, по мнению исследователя, Красная армия превосходила вермахт в соотношении 1,6:1. В этом случае и под Москвой, куда стягивались все резервы, перевес советских войск должен был быть не меньшим.

Численность Красной армии на московском направлении Б.В.Соколов оценивает в 2,7 млн. человек. Он делает вывод:

«Именно численное превосходство Красной армии, ее качественный перевес в танках и наличие у советских войск на московском направлении в тот момент численного преобладания в авиации и предопределили успешный для наших войск исход Московской битвы».

Готовя контрнаступление на московском стратегическом направлении, Ставка приказала Калининскому фронту нанести удар по войскам 9-й армии генерала Штрауса, разгромить их и, освободив Калинин, выйти на фланг и в тыл группе армий “Центр”. Юго-Западному фронту предписывалось нанести поражение вражеской группировке в районе Ельца и содействовать Западному фронту в разгроме противника на тульском направлении. Западному фронту Ставка приказала разгромить немецко-фашистские ударные группировки северо-западнее и южнее Москвы, нанести поражение основным силам группы армий “Центр”.

В основу директивы Ставки лег план контрнаступления, представленный командованием Западного фронта. Он предусматривал для войск последнего задачу внезапными охватывающими ударами разбить угрожавшие столице 3-ю и 4-ю танковые группы в районе Клин—Солнечногорск—Истра и 2-ю танковую армию в районе Тула—Кашира и затем охватить и разгромить 4-ю полевую армию, наступавшую на Москву с запада.

Этот план учитывал, что войска группы армий “Центр” растянуты на тысячекилометровом фронте, в частности, полоса наступления 3-й и 4-й танковых групп составляла 250 км, 2-й танковой армии — 300 км. Причем эти ударные группировки, наступая, оказывались в оперативно опасном положении, позволившем советским войскам охватить их фланги.

Единое планирование и руководство Ставки обеспечивало оперативно-стратегическое взаимодействие Западного, Калининского и Юго-Западного фронтов, которым предстояло сокрушить основную на советско-германском фронте силу врага — группу армий “Центр” и обезопасить советскую столицу от нового наступления на нее. В то же время контрнаступление советских войск под Ростовом и Тихвином лишало гитлеровское командование возможности перебрасывать оттуда свои войска к Москве. В тылу противника усиливали боевую деятельность партизаны, и так как охранных дивизий для борьбы с ними у врага не хватало, он был вынужден снимать для этого войска с фронта.

В первые дни декабря бои на всех фронтах продолжались с нарастающей силой и ожесточением. Атаки сменялись контратаками. Населенные пункты, высоты, узлы дорог переходили из рук в руки. Шла крайне напряженная борьба за инициативу. Гитлеровцы не хотели примириться с мыслью, что Москва им недоступна. Советская столица, казалось, была совсем близко.

6 декабря в ежедневной радиосводке «От советского Информбюро» прозвучал ликующий голос диктора Ю.Б.Левитана:

«6 декабря 1941 г. войска нашего Западного фронта, измотав противника в предшествующих боях, перешли в контрнаступление против его ударных фланговых группировок. В результате начатого наступления обе эти группировки разбиты и поспешно отходят, бросая технику, вооружение и неся громадные потери!»

Первым 5 декабря перешел в наступление Калининский фронт (Калининская нас. операция 5.12.41-7.1.42).      6 декабря началось наступление Западного (Тульская нас. операция 6.12-16.12.41) и Юго-Западного фронтов (Елецкая нас. операция 6.12-16.12.41). В первые дни советского контрнаступления немцы пытались оказывать ожесточенное сопротивление, опираясь на укрепленные опорные пункты. Гитлер требовал от своих генералов во что бы то ни стало остановить отступление. Этот приказ обрекал на окружение и гибель многие немецкие части, но, в то же время, предотвратил превращение немецкого отступления в повальное бегство.

Последовала череда смещений допустивших отступление германских генералов. Отстранив командующего сухопутными войсками фельдмаршала Браухича, Гитлер принял командование сухопутными войсками на себя. В оставку был отправлен командующий группой армий «Центр» фон Бок, замененный фельдмаршалом фон Клюге. Еще раньше был отставлен за отступление от Ростова и командующий группой армий «Юг». Не избежал отставки и лучший танковый генерал вермахта Гудериан. Потеряли свои посты 35 командиров корпусов и дивизий.

Отступая, фашисты сжигали города и деревни, взрывали мосты и дамбы водохранилищ. Жестокий мороз и глубокий снег, от которых страдали слабо экипированные для зимней войны немцы, препятствовали и маневру наступающих советских войск, вынуждая их двигаться только по дорогам.

В ходе наступления активно использовались подвижные группы. Особенно успешный рейд по тылам противника на истринско-волоколамском направлении совершил кавалерийский корпус Л.М.Доватора.

В первой половине декабря войска Красной армии освободили Истру, Солнечногорск, Клин (Клинско-Солнечногорская нас. операция 6.12-25.12.41), во второй половине декабря — Калинин (Тверь), Волоколамск и Старицу. Советские войска подошли к Ржеву, заняли позиции для наступления с севера на Вязьму.

На центральном участке фронта немцы сопротивлялись особенно упорно, но и здесь они вынуждены были оставить Наро-Фоминск, Малоярославец и Боровск.

Южнее Москвы Красная армия продвинулась на запад более чем на 100 км, освободила Калугу и Сухиничи (Калужская нас. операция 17.12.41-5.1.42), подготовилась к наступлению на Вязьму с юга.

В результате первого этапа советского контрнаступления под Москвой немцы были отброшены от столицы на 100—250 км.

Вместе с тем уже тогда проявился недостаток опыта ведения Красной армией наступательных боев. В директиве Военного совета Западного фронта отмечалось:

«Некоторые наши части вместо обходов и окружения противника выталкивают его с фронта лобовым наступлением, вместо просачивания между укреплениями противника топчутся на месте перед этими укреплениями, жалуясь на трудности ведения боя и большие потери. Все эти отрицательные способы ведения боя играют на руку врагу, давая ему возможность планомерно отходить на новые рубежи, приводить себя в порядок и вновь организовывать сопротивление нашим войскам».

В начале 1942 г. в наступление включились десять советских фронтов — от Ленинграда до Крыма. На центральном участке был освобожден Можайск. Войска Калининского и Северо-Западного фронтов успешно наступали на Велиж и Великие Луки (Демянская  операция 7.1-20.5.42 и Торопецко-Холмская наступательная операция

Но попытка нанести удар в направлении Вязьмы (Ржевско-Вяземская операция 8.1-20.4.42)  закончилась неудачей. Ударная группа 33-й армии во главе с командармом М.Г.Ефремовым оказалась отрезана от основных сил и практически полностью погибла при прорыве из окружения. Немцы удержали Ржевско-Вяземский плацдарм, с которого продолжали угрожать Москве.

Причиной этой неудачи стала недооценка противника и рассредоточение сил на слишком широком фронте наступления.