Москва жила тревожной жизнью. Через два дня после захвата немцами Калинина и сообщения об эвакуации части правительственных учреждений и всего дипломатического корпуса в Куйбышев на восток из Москвы хлынули потоки беженцев.
Вечером 19 октября в Москве было введено осадное положение. С этого времени отдельные проявления паники прекратились.
После трех недель наступления фон Бок понял, что его армиям перед финальным броском на Москву необходима перегруппировка. Гальдер и Браухич приняли решение о возобновлении наступления на Москву 26–30 октября. Пехотные армии Штрауса и Вейхса перебрасывались на фланги. 3-я и 4-я танковые группы располагались рядом на левом крыле для удара в обход Москвы с севера. Танковая армия Гудериана сосредоточилась на правом южном фланге. Всего непосредственно для захвата Москвы нацистское командование сосредоточило 51 дивизию, в т. ч. 13 танковых и 7 моторизованных. 9-я и 2-я предназначались для прикрытия внешних флангов ударных группировок.
Гитлеру при обсуждении с Браухичем плана наступления не понравилось, что немецкие танковые дивизии завязли в лесах под Истрой. Он высказался за широкий охват Москвы с северо-запада и юго-востока. «Город падет, — заявил он Муссолини, — и мы не потеряем ни одного солдата».
Значительная часть советских войск с Дальнего Востока прибыла в первых числах ноября. К моменту возобновления немецкого наступления командующий Западным фронтом генерал Жуков получил в общей сложности 100 тысяч человек, 300 танков и 2 тысячи орудий. 10 ноября ему была передана 50-я армия Брянского фронта, а 17 ноября — 30-я армия Калининского фронта. Тем не менее, по общей численности войск и количеству боевой техники советские войска уступали Вермахту. Для уменьшения численного перевеса немецких войск под Москвой Ставка перебрасывала отдельные части и технику с других участков фронта и подтягивала резервы из глубины страны.
К концу октября обе стороны измотали друг друга в непрерывных боях, фронт стабилизировался.
15—16 ноября армии фон Бока начали свое «финальное» наступление на Москву. После первых нескольких дней, прошедших в ожесточенных боях, казалось, что немецкие танковые дивизии вновь обрели свободу маневра. Нацисты продвинулись северо-восточнее и юго-западнее Клина, и завязались бои на его улицах 23 ноября. В прорыв были брошены три танковые дивизии. Этот мощный бронированный кулак создал угрозу всему северо-западному участку фронта обороны Москвы. 28 ноября авангарды 7-й танковой дивизии вышли к каналу Москва — Волга, ворвались в Яхрому и захватили мост через канал.
Наступавшие на южном фланге дивизии Гудериана с боями продвигались к переправам через Оку. Они не смогли захватить Тулу, которую городской гарнизон, 50-я армия и 4 тысячи ополченцев превратили в крепость. Гудериан вместо этого послал танки в обход Тулы, стремясь выйти на серпуховскую железную дорогу широким фланговым маневром. Для защиты своего фланга Гудериан приказал 4-й танковой дивизии выступать на Венев, выставив пехотные дивизии в виде заслона вдоль верховий Дона.
18 ноября немецкая пехотная дивизия, прикрывавшая правый фланг танковой дивизии, наступавшей на Венев, была атакована сибирской дивизией из состава 10-й армии и танковой бригадой, только что прибывшей с Дальнего Востока и полностью оснащенной танками Т—34.
При виде сибирских стрелков, одетых в белые маскхалаты, вооруженных автоматами и ручными гранатами, сидящих на мчавшихся с 50-километровой скоростью «тридцатьчетверках», нервы нацистов не выдержали. Дивизия дрогнула и обратилась в бегство. «Паника, — мрачно отмечается в боевом журнале армии, — охватила немецкие войска. Это первый случай за Русскую кампанию, когда случилось нечто подобное, и это служит подтверждением того, что боеспособность нашей пехоты находится на грани истощения и что от нее нельзя более ожидать выполнения трудных задач».
В течение недели немецкая армейская разведка обнаружила присутствие еще трех соединений, прибывших с Дальнего Востока.
24 ноября Гудериан прибыл в штаб-квартиру Бока, потребовав изменить поставленную ему приказом ОКВ задачу, «поскольку он не в силах выполнить ее». Бок переговорил по телефону с Браухичем, который приказал продолжать наступление, но согласился временно отложить оперативные задачи 2-й танковой армии по охвату Москвы с востока.
Когда Гитлер узнал о сложившейся обстановке, он приказал возобновить наступление по всему фронту. 1–3 декабря немецкие войска начали последние атаки на московском направлении.
К 4 декабря катастрофа назрела: немецкое наступление выдохлось. До контрнаступления Жукова осталось менее суток.