整場巴巴羅薩作戰在11月開始的莫斯科戰役中達到最高潮，儘管負責進攻莫斯科的中央集團軍飽受秋季泥濘所造成的補給短缺之苦，仍被下令繼續進攻;德軍的進展在1941年12月初達到極限，前鋒部隊已經推進至莫斯科市郊，甚至見到了克里姆林宮的螺旋狀尖塔。然而這時斯大林手上仍保有數十萬從西伯利亞前來支援的部隊，這些部隊擁有良好的冬季裝備和補給，還有大量可以武裝成民兵的青年人，很快便將逼近莫斯科的德軍全數擊退，並在接下來的反擊戰推回了冬季前的戰線。
反觀這時的德軍則嚴重缺乏石油、冬季裝備、和食物，同時也沒有躲避之處，只得在原地駐紮捱過嚴酷的冬季。德軍最後得以擋下蘇聯的反擊行動，但卻遭受了非常沉重的損失。
同時，奪下莫斯科也是德國邁向勝利的關鍵之一。歷史學家之間一直存在爭論的問題是：如果當初巴巴羅薩作戰真的奪下了蘇聯首都，是否會造成蘇聯的徹底垮臺?1941年12月美國也向軸心國宣戰，在這短短6個月內德國的戰略位置便徹底逆轉了，因爲德國的軍事生產能力根本無法應付長期的戰爭。
巴巴羅薩作戰的結果對蘇聯和德國都同樣不利。雖然德國無法成功的拿下莫斯科，但他們在半年時間內便奪下了蘇聯西部的龐大領土，包括烏克蘭、白俄羅斯、波羅的海國家、以及一大片莫斯科西部的土地在內。這相當於500，000平方英里的土地，以及7500萬的人民，事實上德國在之後的1.2年內又繼續奪取了250，000平方英哩的土地，一直要到斯大林格勒和庫爾斯克等戰役後才被擊退。在這些佔領區域裏，反抗德國統治的游擊隊迅速增長，而德國也毫不留情的加以鎮壓。德國也繼續堅守這些土地，在接下來的許多戰役裏雙方又蒙受了更多的損失。
血腥的東線戰役持續了整整4年，因爲這場戰爭而死的人數可能永遠無法準確計算。蘇聯軍隊的總陣亡人數大約爲870萬，而平民的死亡人數則依然存在爭議，經常被舉出的數字則高達2，000萬人。德軍的陣亡人數也很難準確計算，最高的數字(Rüdiger Overmans)爲430萬名德軍和900，000名其他軸心國部隊，這個數字包括了在作戰中陣亡的人數以及遭蘇聯俘虜期間死去的人數在內。
直到1941年12月便有超過240萬的紅軍人員被德軍俘虜，德國對紅軍俘虜的處置使得到戰爭結束時總計數百萬會死於寒冷、飢餓、疾病等等。斯大林則將德國戰俘以及曾經被德國俘虜的蘇聯士兵都流放至勞動營。少數族羣也都被流放至東部的集中營。例子包括了：1941年9月有439，000名居住於窩瓦河的德裔人民(以及300，000名來自其他各地區的德裔人民)被集體驅逐至哈薩克;在1944年5月，182，000名克里米亞韃靼人被驅逐至烏茲別克斯坦;車臣人(393，000)和印古什人(91，000)也在1944年被徹底驅逐至哈薩克。
