Большей частью в тылу Западного фронта, а частично примыкая к его левому флангу, строились войска Резервного фронта. После Ельнинской операции Г. К. Жукова отправили спасать Ленинград, оставив пост командующего Резервным фронтом маршалу С. М. Будённому. Последний, в свою очередь, пошёл на этот пост с понижением с должности командующего Юго-Западным направлением, будучи снятым за требование отвести от Киева войска Юго-Западного фронта. Четыре армии (31-я, 32-я, 33-я и 49-я) Резервного фронта занимали ржевско-вяземский оборонительный рубеж позади Западного фронта. Силами 24-й армии генерал-майора К. И. Ракутина фронт прикрывал ельнинское, а 43-й армии генерал-майора П. П. Собенникова — юхновское направления. Общий фронт обороны этих двух армий составлял около 100 км. Средняя укомплектованность дивизии в 24-й армии составляла 7,7 тыс. человек, а в 43-й армии — 9 тыс. человек. Всего в составе Резервного фронта насчитывалось 28 стрелковых, 2 кавалерийских дивизии, 27 артиллерийских полков, 5 танковых бригад. В первом эшелоне Резервного фронта было 6 стрелковых дивизий и 2 танковых бригады в 24-й армии, 4 стрелковых дивизии, 2 танковых бригады в составе 43-й армии. Войска Брянского фронта под командованием генерал-полковника А. И. Ерёменко занимали фронт 330 км на брянско-калужском и орловско-тульском направлениях. Соответственно, 50-я армия генерал-майора М. П. Петрова прикрывала пути на Киров и Брянск с северо-запада и с запада, 3-я армия генерал-майора Я. Г. Крейзера — трубчевское направление, 13-я армия генерал-майора А. М. Городнянского — севское, а оперативная группа генерал-майора А. Н. Ермакова — курское направления. Всего в составе Брянского фронта насчитывалось 25 стрелковых, 4 кавалерийские дивизии, 16 артиллерийских полков, 1 танковая дивизия, 4 танковых бригады, 4 отдельных танковых батальона. Средняя укомплектованность стрелковой дивизии 50-й армии была 8,5 тыс. человек, 3-й и 13-й армий — 7,5 тыс. человек. Кавалерийские дивизии насчитывали в среднем 1,5—2 тыс. человек. Танковые войска фронта насчитывали 245 танков (22 KB 83 Т-34, 23 БТ, 57 Т-26, 52 Т-40, 8 Т-50).
Общая численность личного состава войск Западного, Брянского и Резервного фронтов составляла 1250 тыс. человек. Военно-воздушные силы трёх фронтов насчитывали 568 самолётов (210 бомбардировщиков, 265 истребителей, 36 штурмовиков, 37 разведчиков). Помимо этих самолётов уже в первые дни сражения в бой были введены 368 бомбардировщиков дальней авиации и 423 истребителя и 9 разведчиков истребительной авиации ПВО Москвы. Таким образом, силы ВВС Красной армии на московском направлении практически не уступали противнику и насчитывали 1368 самолётов против 1320 во 2-м воздушном флоте.
Войска Красной армии на западном направлении, прикрывавшие примерно 1/3 активной части советско-германского фронта, составляли свыше 40% всех сил РККА на фронте от Ладожского озера до Азовского моря. Учитывая отсутствие переставшего существовать в сентябре Юго-Западного фронта, нельзя сделать сделать об однозначном выделении советским командованием западного направления как особо приоритетного. Для сравнения — в составе Ленинградского фронта было 36 стрелковых дивизий, больше чем в любом из трёх вышеперечисленных фронтов. В трёх армиях Северо-Западного фронта было 18 стрелковых дивизий, а дополнительно в его полосе находились подчинённые Ставке 4-я армия (четыре стрелковых дивизии) и 52-я армия (ещё четыре дивизии).
Оперативные планы войск на западном направлении предусматривали ведение обороны практически по всему фронту. Приказы на оборону в той или иной форме были получены по крайней мере за три недели до наступления немцев. Уже 10 сентября Ставка потребовала от Западного фронта «прочно закопаться в землю и за счёт второстепенных направлений и прочной обороны вывести в резерв шесть-семь дивизий, чтобы создать мощную манёвренную группу для наступления в будущем». Выполняя этот приказ, И. С. Конев выделил в резерв четыре стрелковых, две мотострелковых и одну кавалерийскую дивизии, четыре танковых бригады и пять артиллерийских полков. Перед главной полосой обороны в большинстве армий создавалась полоса обеспечения (предполье) глубиной от 4 до 20 км и более. Сам И. С. Конев в своих воспоминаниях пишет:
«После наступательных боёв войска Западного и Резервного фронтов по указанию Ставки в период 10—16 сентября перешли к обороне»[103].
Подготовка к обороне велась под неусыпным наблюдением Генерального штаба. Например, A. M. Василевский 18 сентября 1941 г. прямым текстом известил командующих Западного и Резервного фронтов о возможном наступлении немцев: