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德军的攻势再次有夭折的危险。德军用削弱北方集团军群和南方集团军群的办法把中央集团军群的兵力增加到七十个师，其中有十四个装甲师、八个摩托化步兵师。空中支援由凯塞林的第2航空队提供。该航空队由第2和第8航空军组成，共有三十二个航空大队，飞机一千架左右。当时整个东线可供使用的飞机是二千四百架。9月末，德军情报机构估计守卫莫斯科的苏军兵力多达八十个步兵师、十一个坦克兵团师或旅）和九个骑兵师。苏德前线的苏军飞机估计只不过一千一百架。中央集团军群的战线长达四百多英里。包克留作集团军群预备队的兵力不到两个师。陆军总部根本没有预备队。
7月22日夜间，莫斯科首次遭到空袭，以后连续两天夜间又遭空袭。此时德军已抵达斯摩棱斯克，克里姆林宫日夜等待着德军最后向莫斯利进攻。苏联政府征用民工在莫斯科以西两道防线上急如星火地构筑工事。民工中有四分之三以上是妇女。前一道防线称做维亚兹马防线。它的最北端在奥斯塔什科夫以东约三十英里处，据瓦尔代山不远，中间穿过维亚兹马以西地区，最南端在基洛夫以南，全长二百余英里。后一道防线叫莫日艾斯克防线，在莫斯科以西约八十英里，自沃洛科拉姆斯克至提赫文，长约一百六十英里。此外，在莫斯科以西还有四道弧形防线。防守莫斯科接近地的任务被赋予西部战区。战区司令员是铁木辛哥，至9月中旬，他又被调至乌克兰。西部战区北邻西北方面军，以奥斯塔什科夫为界，南靠西南方面军，以沃洛日巴为界，从北到南，防御正面宽约四百五十英里。战区内有三个独立的方面军。其中主要的方面军是西方方面军，由科涅夫指挥，部署在维亚兹马以西六十英里处，从奥斯塔什科夫湖起至斯摩棱斯克东南约四十英里处的耶耳尼亚。西方方面军由六个集团军组成。预备方面军复由布琼尼临时指挥（他新近由西南战区调至此地），也是由六个集团军组成，部署在科涅夫的西方方面军后方大致在维亚兹马那条线（北起奥斯塔什科夫附近伏尔加河的源头，南至耶耳尼亚）上，成纵深梯次配置。预备方面军，除左翼的部队例外，与敌人没有接触。在左翼，它的两支部队，即拉库金的第24集团军和索宾尼科夫的第43集团军，把西方方面军与布良斯克方面军连接起来。布琼尼担任实际指挥的日子不会太长，只要一出现开战的迹象，他就会被替换掉。
在预备方面军的南面，越过罗斯拉夫尔…基洛夫铁路线，是叶廖缅科的布良斯克方面军。布良斯克方面军的编成内，当时有彼得罗夫的第50集团军、克列泽尔的第3集团军和哥罗德尼扬斯基的第13集团军以及掩护左翼侧的叶尔马科夫的集群。据说，西部战区有八十三个师、九个骑兵师、十三个坦克旅，共八十万人、七百七十辆坦克和三百六十架飞机。
直到9月下旬，西部战区还没有意识到德军将对它发动主要攻势，对此，希特勒的变幻莫测的战略又得负主要责任，甚至迟至9月的第三周，德军兵力仍很分散。他们刚完成对基辅的包围，在伊耳缅湖以北仍在进行激烈的战斗。在9月最后一天，对莫斯科进行了这次攻势的第一次突击，这使苏军最高统帅部感到意外。苏军肯定了德军意图之后，立刻停止了一切进攻，当然，这些进攻只是局部性的，目标也都有限。它所有的部队都转入了防御，匆忙准备对付德军的进攻。各级部队都组建了预备队作为反攻和纵深防御之用。战区也组建了预备队，由当时一位方面军副司令博尔金指挥。兵力是从第19、第20、第24和第32集团军抽调的。任何样式的机动防御都在禁止之列，部队奉命死守阵地。
9月30日，古德里安的第2装甲集群以前方的三个装甲军进攻叶尔马科夫的翼侧，它们全部集中在相当狭窄的正面上，冒着苏联空军散乱的轰炸，在第一天借助于良好的天气向前推进五十余英里。德军步兵负责保障翼侧，并清除抵抗枢纽。到10月3日，哥罗德尼扬斯基的苏军第13集团军在企图堵住德军装甲部队打开的缺口时，被赶到北面。第二天，苏军后方约一百三十英里的奥廖尔落入德军手中，在此期间，德军左翼的莱梅尔森的第47装甲军突然掉头向北，准备从后方包围叶廖缅科的布良斯克方面军。德军为获得这些胜利所付的代价甚微，可是，当苏军指挥官惊魂稍定时，苏军的抵抗加强了。扎哈尔金的第49集团军原作为预备队部署在后方，即土拉以西的莫日艾斯克一线，这时奉命前出夺回奥廖尔，但为时已晚，战局发生了变化。
10月1日，当古德里安的进攻所造成的威胁已很明显时，斯大林派出列柳申科接管姆岑斯克和奥廖尔的防务。列柳申科曾被任命为第1特别警备步兵军军长，但手下无兵，因为尚未调集部队。他从莫斯科出发时，只带了一个摩托车团，这是唯一的一支成建制的部队。据他本人说，他在土拉炮兵学校又收集到一些火炮，用土拉市公共汽车牵引。可是，他与友好的慈祥的沙波什尼科夫经常保持电话联系。沙波什尼科夫开始由公路和铁路给他输送零星的部队和分队，答应给他提供卡秋莎火箭炮，条件是不能冒险把火炮丢给敌人。首批从列宁格勒到达姆岑斯克车站的部队是卡图科夫第1坦克旅的部分兵力，它装备的主要是KV型和T34型坦克。这支部队在步兵的支援下于10月6日在姆岑斯克附近通往土拉的大道上，莽莽撞撞地闯入古德里安右翼的施韦彭堡的第24装甲军，接着便是激烈的战斗。在古德里安第2装甲集团军的左侧，第17装甲师已经占领布良斯克市，从而使罗斯拉夫尔到奥廖尔的德军公路和铁路补给线畅通无阻。当晚在中央集团军群的战线上初降冬雪。
德军对布良斯克方面军的包围行动取得了令人满意的进展。在西面，魏克斯的第2集团军的步兵稳步地向迭斯纳河前进。他与左侧的第2装甲集团军紧密配合，在布良斯克以南完成了对克列泽尔的第3集团军的部分部队和哥罗德尼扬斯基的第13集团军的包围；在布良斯克以北，也完成了对彼得罗夫第50集团军的部分兵力的包围。10月10日，古德里安接到中央集团军群新的命令。命令详细地列出许多任务，包括清剿布良斯克南北包围圈里的敌人，夺取布良斯克东南大约五十英里的库尔斯克，继续向土拉进军等。全部任务立即执行。古德里安意识到（很可能他是对的）这些命令是来自高于中央集团军群的司令部。当他要求给这些任务以某些优先照顾时，却不予答复。由于天不停地降雪，雪随落随融，地面和道路不久就成为深陷的泥潭，从而使机动作战根本无法进行。车队又一次停顿不前。用飞机给那些孤立的部队空投大包绳索，使他们能用履带式车辆把陷在泥水中的车辆拖出。
10月6日以后，叶廖缅科及布良斯克方面军与莫斯科最高统帅部完全失去联系。10月8日晚，他命令被围部队在夜间撤退。他的部队中不少人逃出了重围。10月17日，苏军第50集团军在布良斯克以北被围的那部分部队投降；苏军在城市以南的抵抗到10月25日才停止。第3、第13和第50集团军掉队的极多，被俘约五万人。第50军军长彼得罗夫阵亡。
到10月15日，第2装甲集团军仍由于天气不佳，行动缓慢，还没有越过姆岑斯克。从奥廖尔到土拉只有一条良好的公路，由于行驶的车辆过多和天气恶劣已不堪使用。苏军工兵在路旁埋下了地雷，炸毁了桥梁。德军只得用树干一连数英里地敷设急造军路。车辆用油奇缺，进一步限制了机动性。在此地区，苏军己在加速撤退，可是，10月24日，叶廖缅科仍然接到命令叫他尽快撤到掩护莫斯科南侧的土拉…耶列次防线。实际上叶廖缅科的方面军已被歼灭，虽然苏联提供的消息未予承认。
特鲁布切夫斯克附近的德军第1骑兵师掩护着古德里安的左侧，逼近布良斯克南面的包围圈。10月9日夜间，开始降大雨和零星雪花，此后，雨连绵不断。到处是积水。洪流冲过树林，把平地冲成沟渠。用第1骑兵师历史撰写人的话来说，道路状况之糟简直是灾难性的。机动车辆没有拖拉机牵引就不能移动，马匹在软泥中深陷到腹部，甚至最轻的大车也需一组挽畜才能拖走。油料、口粮和饲料的供应中断。人们找不到栖身之处。东普鲁士的骑兵丝毫不以为奇地看着一个高级司令部和猪及家禽挤在一个肮脏的单间房子里歇息。消灭布良斯克包围圈内的敌人并非容易，因为这儿的森林枝叶茂密，人迹罕见，遍布原始沼泽灌木丛和水生植物丛，与德国的森林并不一样。在其中搜寻苏军士兵是一件危险而且代价大的事情。俘虏供称，苏军第3集团军司令部就在附近某处，但第1骑兵师却没有找到。
略往东北方，即克鲁格第4集团军右翼，第52步兵师在10月13日大雨谤沦时，已从苏希尼奇转移至卡卢加，穿过了森林地带。残留下的一般军用大车，因为车身过低而被丢在路沟里。于是德军又从地里抢来俄国农家大车。除了每个炮兵连可有两门轻炮和两个前车外，所有物品都从车上卸下丢在沿途。每门炮由十匹马牵引，后面跟着没有上挽具的备用马匹。用不到两天，马蹄铁就从马蹄上脱落，不过在泥水中行走不要马蹄铁也可以。倒霉的步兵就大不一样了。他们在没膝的泥淖中跋涉前进的时候，长筒靴常被泥粘掉。皮鞋开始破裂。在第一天行军后，马拉行李车尽管很轻，但还是跟不上队伍。除了从农民家里抢来的茶和土豆外，没有吃的东西，糊里糊涂的士兵们不由地盼望起冰封地冻、寒冬季节的来临。
在此其间，远在北方的斯莫棱斯克…维亚兹马方向，苏军的境遇糟糕已极。德军第9和第4集团军向莫斯科发动主要攻击时，天气极佳。10月9日，在这第一天的攻击结束时，施特劳斯的第9集团军和赫特的第3装甲集群，已在霍缅科的苏军第30集团军和卢金的第19集团军的接合部突破苏军防线。赫特共有三个装甲军，但他用前面两个装甲军发动攻击。沙尔的第56装甲军则向第聂伯河上的霍耳姆以及维亚兹马进攻，而赖因哈特的第41装甲军先向东、再向东北方向前进，指向伏尔加河上游的尔热夫。除了霍耳姆西南苏军一个坦克旅进行反击外，抵抗远比预计的要弱。由于天气好、地面坚实和第3航空军的空中支援有力，坦克很快越过了第聂伯河上游，向维亚兹马进逼。在通往维亚兹马的北方进攻轴线上跟随赫特的装甲集群穿过霍耳姆的第35步兵师说，虽然敌人修建了两个多月的工事很牢固，可是，在德军突然奇袭下，苏军惊慌失措，除了10月7日以前进行了三天激战外，抵抗很弱。德第35步兵师在十天进军中，俘敌八千五百人。
在斯摩棱斯克…维亚兹马进攻轴线以南，布琼尼预备方面军的拉库金第24集团军和索宾尼科夫的第43