戰爭爆發
1941年6月22日凌晨3時，德軍兵分三路突入蘇聯(詳見巴巴羅薩計劃)。蘇聯在戰前雖然從多個渠道獲得過戰爭可能爆發的情報，但很多情報之間是互相矛盾的，具體入侵時間的情報相差非常大，使蘇聯政府並不知道德國入侵的具體時間，甚至都不知道德國是否會入侵蘇聯。僅僅在開戰前一天，蘇聯最高統帥部才知道德軍的具體進攻時間，但是爲時已晚。
在短短10天之內，德軍突進蘇聯600公里。第一天的戰鬥，蘇聯紅軍損失1200架飛機，其中800架還未起飛就被炸燬。希特勒狂言三個月滅亡蘇聯。
北方戰線由德軍威廉·裏特爾·馮·勒布元帥指揮的北方集團軍羣負責進攻。兩個星期內蘇聯紅軍敗退450公里，放棄整個波羅的海沿海地區，蘇聯紅軍24個師被徹底擊潰，20個師損失60%的人員和裝備，德軍北方集團軍羣很快進抵列寧格勒城下。波羅的海三國的百姓由於早就對蘇聯的統治有強烈不滿，因此在德軍入侵之時發起了針對蘇聯政權的暴動行爲，進一步促使了蘇聯紅軍的敗退。
中部戰線是德軍突擊的重點地區，德軍費多爾·馮·博克元帥指揮的中央集團軍羣從格羅德諾和佈列斯特要塞方向進攻，通過一個雙鉗攻勢完成了對蘇聯西部軍區(即西方面軍)的合圍，白俄羅斯首府明斯克淪陷，蘇聯紅軍敗退350公里，30個師被殲滅，70個師損失50%以上的人員。隨後，德中央集團軍羣又在斯摩棱斯克地區展開了第二個鉗形攻勢，由於蘇聯紅軍有效地組織了防禦，德軍進展很慢。但是戰役在歷經兩個月後，德軍還是完成了合圍，殲滅了蘇聯紅軍30萬人。
南方戰線上由德軍倫德施泰特南方集團軍羣的主要目的在於佔領蘇聯在烏克蘭的農業和工業基地，並獲得黑海港口作爲補給站。當面爲蘇聯基輔特別軍區(即西南方面軍)和敖德薩軍區(南方面軍)，西南方面軍是蘇聯實力最強的一個軍區，在戰爭初期，由於蘇聯紅軍在兵力和裝備上對德軍有明顯的優勢，德軍在這個方向的進展最爲緩慢。但由於德軍的素質此時遠在蘇聯紅軍之上，因而德軍依然長驅直入抵達第聶伯河。由於西方方面軍損失過大，西南方面軍的右翼暴露又未及時轉移。
1941年9月15日，德軍中央、南方兩個集團軍羣合作，在基輔戰役中將蘇聯西南方面軍主力包圍。蘇聯軍隊70個師血戰10天，蘇聯紅軍少數突圍，66萬餘人被殲滅，其中有6萬名軍官，包括西南方面軍司令基爾波諾斯上將、參謀長圖皮科夫中將在內的多位高級將領在突圍戰中陣亡。希特勒將這次圍殲戰稱爲“史上最大的圍殲戰”。但是隨後，在攻擊羅斯托夫的戰役中，由於主力部隊都調往了莫斯科地區，德軍遭到了失敗。
在德軍完成了對列寧格勒的包圍之後，完全無力佔領列寧格勒。北方集團軍羣爲了穩定側翼，發起了對提赫文的進攻，但是卻遭到潰敗。因此，德軍對列寧格勒採取了封鎖戰術。由於蘇聯紅軍迅速在與德軍的對峙中擁有了兵力上的巨大優勢，德軍不得不在北方戰線採取了被動的守勢。同時，芬蘭由於不願意攻佔除了冬季戰爭中被蘇聯割去的卡累利阿地峽以外的蘇聯地區，芬軍一直都沒有進攻列寧格勒。
爲了使德軍得不到佔領區的物資，斯大林採用了當年國內戰爭時的方法。斯大林於1941年11月17日令蘇聯紅軍實行焦土抗戰，用大炮、火箭炮，並出動空軍摧毀前沿陣地道路兩旁40—60公里縱深地區的居民點，組織小分隊，放火燒燬村莊、城市，而這些地方並無德國人。人民流離失所，數百萬人死亡，蘇聯人民又蒙受一次災難。
1941年9月30日，德軍集中74個師約100萬人，在1700輛坦克，11000門火炮支援下，發起意在奪取莫斯科的攻勢，即颱風計劃(莫斯科會戰)。戰役的第一階段以德軍在維亞濟馬地區殲滅蘇聯紅軍60餘萬人的全面勝利而結束。隨後德軍迅速佔領了莫斯科外圍，摧毀了數道蘇聯防線。蘇聯在危急時刻進行了歷史上規模最大的工業轉移計劃，轉移的設備、物資超過100萬節車皮，同時從西伯利亞、中亞、遠東地區調來了25萬的精銳預備隊，以朱可夫大將爲核心重組了西方面軍的部隊和防線，組織大量婦女修築防禦工事，並派出大量攜帶炸藥和地雷的工兵分隊破壞德軍後勤補給線。此時蘇聯嚴酷的冬季已經降臨，德軍作戰部隊和後勤補給受到了極大限制，由於德國軍隊沒有做好過冬的準備，導致大量的士兵凍死凍傷，許多武器也無法使用。蘇聯紅軍對德軍進行了殊死抵抗，涌現出了許許多多英雄人物和名言，比如“蘇聯雖大，但已無路可退，背後就是莫斯科”。
1941年11月7日，在德國迫近莫斯科之時，蘇聯依然按時組織了紅場閱兵，這是歷史上最著名的閱兵之一，受閱部隊在閱兵結束後直接開赴前線。
1941年12月6日，蘇聯發起反擊，突破德軍防禦並將其擊退200-300公里，莫斯科會戰以蘇聯勝利而結束，德軍損失了50多萬人和大量的技術裝備，這也是不可一世的德國陸軍在二戰中第一次受到重大損失，希特勒“三個月滅亡蘇聯”的狂言徹底破滅。莫斯科局勢得以穩定。
1941年冬天，蘇聯紅軍在各條戰線上發動冬季攻勢。在南部，蘇聯紅軍越過刻赤海峽，在克里米亞半島登陸;在北部，蘇聯紅軍試圖解列寧格勒的圍並且殲滅包圍列寧格勒的德軍和收復迭米揚斯克。但是由於蘇聯紅軍的訓練拙劣，準備倉促不足，指揮失當，這兩個方向的攻勢均以失敗告終，蘇聯紅軍損失巨大。
1942年5月，蘇聯又在準備不足的情況下，發起第一次哈爾科夫戰役，試圖收復哈爾科夫，但被德軍分割包圍後殲滅。同時，曼施泰因指揮的德軍席捲克里木半島，攻克塞瓦斯托波爾要塞，並在刻赤戰役中將紅軍徹底擊潰。最終，蘇聯紅軍的冬季攻勢以失敗告終。
轉折點
成功擊退了蘇聯紅軍的冬季攻勢後，德軍認爲佔領莫斯科十分困難，因此轉變進攻重點，改爲向蘇聯的高加索地區展開進攻。進攻初期，德軍先在哈爾科夫殲滅了蘇聯紅軍200餘萬人，並迅速南下，席捲整個高加索地區。但是，由於蘇聯紅軍在前一年的大潰敗中吸取了足夠的教訓，德軍沒能在高加索地區大規模殲滅蘇聯紅軍，蘇聯紅軍雖然無法抵擋德軍裝甲部隊的進攻，但是得以保全力量。
隨後，爲掩護南下高加索的德軍(爲了獲取巴庫油田的石油)，德軍意圖佔領伏爾加河畔的斯大林格勒，隨之在斯大林格勒展開了與蘇聯紅軍曠日持久的大會戰(即斯大林格勒戰役)。德軍在戰役開始前對斯大林格勒展開了大規模轟炸，把城區炸成了一片廢墟，但事實上這是在給自己添麻煩，因爲被轟炸後的斯大林格勒是一片廢墟，公路自然也被廢墟堵上，因此德國的坦克很難在滿是廢墟的城區裏作戰，甚至連行駛都是問題。戰役主要在斯大林格勒城內和接近地展開，每一條街道、每一座房屋甚至每一堆廢墟都要反覆爭奪，進展往往按米來統計，戰鬥極爲殘酷和血腥，雙方投入的總兵力在300萬人以上，蘇聯紅軍堅強的抵抗，使德軍每前進一步都要付出慘重的代價。
而此時蘇聯上百萬的預備隊已經在兩側聚集，於1942年末在德軍兩側發動鉗形攻勢幷包圍了德軍330萬部隊，並於1943年2月2日將其全部殲滅。蘇聯紅軍取得了決定性勝利，德軍第6集團軍全部和第4裝甲集團軍大部，羅馬尼亞第3、第4集團軍，意大利第8集團軍以及配屬的大量技術分隊和支援部隊被殲滅，雙方損失始終沒有精確統計，一般認爲德軍損失在85-100萬人左右，蘇聯損失更大一些。斯大林格勒戰役與同時期發生的阿拉曼戰役、中途島海戰勝利，構成了整個第二次世界大戰的轉折點(嚴格的說，阿拉曼戰役和中途島戰役，無論是雙方投入的力量、持續的時間以及損失情況，均遠遠無法與斯大林格勒戰役相比，過去有些歷史學教科書認爲，斯大林格勒戰役是整個第二次世界大戰的轉折點是有一定道理的，這裏綜合東西方的觀點)。
在殲滅德軍第6集團軍後，蘇聯紅軍乘勝緊逼羅斯托夫，在高加索的德軍後撤，蘇軍並迅速奪回了高加索地區。但是，由於蘇聯紅軍過分展開，在其進攻哈爾科夫時(第二次哈爾科夫戰役)，遭到曼施坦因的反攻，進攻部隊被擊潰，德軍得以穩固自斯大林格勒失敗以來不斷後退的戰線。此時，在前線形成了庫爾斯克突出部，德軍希望能夠利用這個突出部殲滅蘇聯紅軍主力部隊以奪回戰場主動權。1943年7月5日晨，庫爾斯克決戰打響，但在蘇軍準備充分的防禦陣地面前，德軍的進攻步履維艱，12日，雙方在庫爾斯克南部奧博場方向的普羅霍洛夫卡發生坦克大會戰，以帝國師爲首的德軍裝甲部隊和以近衛第五坦克軍爲首的蘇軍裝甲部隊發生的遭遇戰，激烈的戰鬥持續了一整天，雖然蘇軍損失高於德軍，但德軍始終無法推進，隨着蘇軍在奧廖爾附近的進攻和盟軍登錄西西里，德軍被迫終止了進攻，退回到了出發陣地，8月23日，蘇軍收復哈爾科夫，庫爾斯克戰役以蘇軍勝利而結束。
至此，德軍再也沒有在蘇德戰場上發動過戰略進攻，而是轉向了戰略防守，斯大林格勒戰役和庫爾斯克戰役可謂是蘇德戰場的轉折點。
此時蘇聯經濟已經完全轉入戰時軌道，生產了大量武器裝備和物資，同時根據《租借法案》獲得了來自美英等同盟國大量援助，軍事力量有了很大提高。而德國本土由於美英兩國規模越來越大的戰略轟炸而遍地廢墟，工業生產能力大幅下降，又在北非戰場慘敗，其僕從國也開始有了反戰、反德的傾向，德國已經越來越沒有能力與蘇聯抗衡了。
蘇聯紅軍反攻
隨着德國在庫爾斯克戰役的失敗，德軍南方集團軍羣被迫後撤，越過了第聶伯河，同時實施“焦土政策”，這使得烏克蘭和俄羅斯的村莊變爲了廢墟，莊稼也被德軍燒燬。
此後，蘇聯紅軍相繼發動了10次大型反擊戰役(史稱十次斯大林突擊)，將德軍完全趕出了蘇聯國土。之後，蘇聯紅軍橫掃東南歐，在盟軍於1944年6月6日發動諾曼底登陸後，德軍不得不從東線調出大量部隊以守衛西線，蘇聯紅軍更加勢不可擋，並且相繼攻佔了羅馬尼亞、保加利亞、匈牙利、南斯拉夫、捷克斯洛伐克、波蘭等國。
1945年4月16日蘇聯紅軍在渡過奧得河之後開始了進攻柏林的戰役，4月21日蘇聯紅軍攻入柏林市區，25日完成了對柏林的包圍，27日突入市中心，30日蘇聯紅軍的三名士兵將蘇維埃的紅旗插在了柏林國會大廈的樓頂，同一天納粹德國元首希特勒自殺。
1945年5月8日德國無條件投降，蘇聯也獲得了蘇德戰爭的最後勝利。
