К середине октября эти армии насчитывали 19 стрелковых, 2 кавалерийские дивизии, 2 танковые бригады и несколько других отдельных стрелковых, танковых и артиллерийских частей. Обстановка становилась угрожающей. 20 октября 1941 г. в Москве и прилегающих районах было введено осадное положение. Центральные учреждения по решению правительства стали покидать столицу. В Куйбышев переехал и основной состав Генерального штаба вместе с маршалом Б. М. Шапошниковым. В Москве остались Государственный Комитет Обороны во главе с И. В. Сталиным, Ставка Верховного Главного Командования и оперативная группа Генерального штаба.
В тот период серьезную угрозу для Москвы представляла авиация противника, совершившая первый массированный налет на столицу ещё 22 июля. Ей противостояли соединения ПВО, войсковая зенитная артиллерия и фронтовая авиация. Противовоздушную оборону Москвы осуществляли 1-й корпус ПВО и 6-й истребительный авиационный корпус. В ходе боевых действий состав корпусов постоянно менялся, и к ноябрю 1941 г. в них имелось 700 истребителей, 900 зенитных орудий среднего калибра, 300 малого калибра, 336 зенитных пулемётов, 618 зенитных прожекторов, 124 поста аэростатов заграждения и 702 поста ВНОС (воздушного наблюдения, оповещения и связи). Одновременно с отражением воздушных налетов на Москву артиллерия ПВО участвовала и в борьбе с наземными силами противника. Части 6 ИАК прикрывали боевые порядки войск Западного и других фронтов, штурмовали вражеские аэродромы. Несмотря на большие потери, авиация противника продолжала бомбить столицу. Только в октябре был совершён 31 налёт с участием 2000 самолетов, 278 из которых были сбиты. В борьбу с зажигательными бомбами, разрушениями включилось также население Москвы и её пригородов. Всего же за период с 22 июля по 20 декабря 1941 г. гитлеровцы произвели 8278 самолётовылетов на Москву с участием 7146 самолётов. 229 вражеских машин прорвались к городу (оцените, кстати говоря, высочайший уровень эффективности московской системы ПВО — ведь прорвалось-то всего 3,2 % вылетавших на бомбежки Москвы вражеских самолетов!). Они сбросили 1445 фугасных и более 110 тыс. зажигательных бомб. От взрывов и огня погибли 1295 человек, ранены 5406 человек. Разрушены 114 предприятий, 413 жилых домов. В целом же, несмотря на то, что ущерб Москве всё-таки был причинен, однако масштабы его тем не менее были все же не так значительны. В этом огромную роль сыграло мужественное поведение москвичей при отражении налетов вражеской авиации на город. Рискуя жизнью, они гасили зажигательные бомбы, ликвидировали завалы, тушили пожары.
В период обороны Москвы наземные войска провели ряд операций в Московской области. Так, в период с 10 октября по 5 декабря 1941 г. войска Западного фронта осуществили Можайско-Малоярославецкую (10–30.10), Клинско-Солнечногорскую (15.11–5.12), Наро-Фоминскую (1–5.12) оборонительные операции. Наиболее ожесточенные бои велись на направлениях: Клин — Дмитров, Солнечногорск — Красная Поляна, Волоколамск — Истра, Руза — Звенигород, Можайск — Дорохов, Верея — Наро-Фоминск и на рубежах: р. Лама, Волоколамск, Руза, Можайск, Рогачево, Дмитров, Красная Поляна, Крюково, Звенигород, Наро-Фоминск, р. Нара.
Не взирая на большие потери, противник сумел выйти к ближним подступам к Москве, но был остановлен на рубежах: г. Химки (19 км от Москвы, 17 октября); г. Яхрома (восточный берег канала Москва — Волга, 28 ноября); д. Бурцево, Юшково (в 18 км юго-восточнее ст. Кубинка, 20 ноября); ст. Крюково (26 ноября); ст. Лобня (20 км от Москвы, Красная Поляна, 5 декабря); г. Кашира (южная окраина и вся дорога Кашира — Венев — Узловая — Ефремов, 26 ноября).
Принятыми советским Верховным Главным Командованием энергичными мерами, войска Западного фронта были срочно и значительно усилены. Во второй половине октября 1941 г. к Москве из тыловых районов СССР и с других участков фронта в спешном порядке подходили эшелоны с войсками. Они практически с ходу вступали в бой, что не замедлило сказаться на оперативной обстановке западнее столицы. Этому способствовало введение в сражения за столицу 1-й ударной (командующий генерал-лейтенант В. И. Кузнецов) и 20-й (2-е формирование, командующий генерал-лейтенант А. А. Власов) армий, которые затем перешли в контрнаступление. Кроме того, в обороне Москвы, а затем и в знаменитом, потрясшем весь мир Московском контрнаступлении принимали участие:
— корпуса — 1-й гвардейский под командованием генерал-майора П. А. Белова и 2-й гвардейский под командованием генерал-майора Л. М. Доватора, 5-й воздушно-десантный под командованием подполковника И. С. Безуглого, а также кавалерийские корпуса;
— дивизии (стрелковые, мотострелковые, танковые, кавалерийские и народного ополчения) — 50;
— бригады (стрелковые, мотострелковые, танковые, воздушно-десантные) — 40;
— соединения и части артиллерии, авиации, связи и другие.