整场巴巴罗萨作战在11月开始的莫斯科战役中达到最高潮，尽管负责进攻莫斯科的中央集团军饱受秋季泥泞所造成的补给短缺之苦，仍被下令继续进攻;德军的进展在1941年12月初达到极限，前锋部队已经推进至莫斯科市郊，甚至见到了克里姆林宫的螺旋状尖塔。然而这时斯大林手上仍保有数十万从西伯利亚前来支援的部队，这些部队拥有良好的冬季装备和补给，还有大量可以武装成民兵的青年人，很快便将逼近莫斯科的德军全数击退，并在接下来的反击战推回了冬季前的战线。
反观这时的德军则严重缺乏石油、冬季装备、和食物，同时也没有躲避之处，只得在原地驻扎挨过严酷的冬季。德军最后得以挡下苏联的反击行动，但却遭受了非常沉重的损失。
同时，夺下莫斯科也是德国迈向胜利的关键之一。历史学家之间一直存在争论的问题是：如果当初巴巴罗萨作战真的夺下了苏联首都，是否会造成苏联的彻底垮台?1941年12月美国也向轴心国宣战，在这短短6个月内德国的战略位置便彻底逆转了，因为德国的军事生产能力根本无法应付长期的战争。
巴巴罗萨作战的结果对苏联和德国都同样不利。虽然德国无法成功的拿下莫斯科，但他们在半年时间内便夺下了苏联西部的庞大领土，包括乌克兰、白俄罗斯、波罗的海国家、以及一大片莫斯科西部的土地在内。这相当于500，000平方英里的土地，以及7500万的人民，事实上德国在之后的1.2年内又继续夺取了250，000平方英哩的土地，一直要到斯大林格勒和库尔斯克等战役后才被击退。在这些占领区域里，反抗德国统治的游击队迅速增长，而德国也毫不留情的加以镇压。德国也继续坚守这些土地，在接下来的许多战役里双方又蒙受了更多的损失。
血腥的东线战役持续了整整4年，因为这场战争而死的人数可能永远无法准确计算。苏联军队的总阵亡人数大约为870万，而平民的死亡人数则依然存在争议，经常被举出的数字则高达2，000万人。德军的阵亡人数也很难准确计算，最高的数字(Rüdiger Overmans)为430万名德军和900，000名其他轴心国部队，这个数字包括了在作战中阵亡的人数以及遭苏联俘虏期间死去的人数在内。
直到1941年12月便有超过240万的红军人员被德军俘虏，德国对红军俘虏的处置使得到战争结束时总计数百万会死于寒冷、饥饿、疾病等等。斯大林则将德国战俘以及曾经被德国俘虏的苏联士兵都流放至劳动营。少数族群也都被流放至东部的集中营。例子包括了：1941年9月有439，000名居住于窝瓦河的德裔人民(以及300，000名来自其他各地区的德裔人民)被集体驱逐至哈萨克;在1944年5月，182，000名克里米亚鞑靼人被驱逐至乌兹别克斯坦;车臣人(393，000)和印古什人(91，000)也在1944年被彻底驱逐至哈萨克。
