Η γερμανική επίθεση είχε την κωδική ονομασία Επιχείρηση Τυφώνας και είχε στόχο τη δημιουργία δύο σφηνών, μία βορείως της Μόσχας εναντίον του Μετώπου Καλίνιν από την 3η και την 4η Ομάδα Πάντσερ, αποκόπτοντας ταυτόχρονα την σιδηροδρομική γραμμή Μόσχας-Λένινγκραντ, και μία νοτίως της Μόσχας εναντίον του Δυτικού Μετώπου, νότια από την Τούλα από την 2η Στρατιά Πάντσερ, ενώ η 4η Στρατιά θα προωθούνταν κατευθείαν προς τη Μόσχα από τα δυτικά. Ένα ξεχωριστό επιχειρησιακό σχέδιο των Γερμανών, με την κωδική ονομασία Επιχείρηση Βόταν, συμπεριλήφθηκε στην τελική φάση της γερμανικής επίθεσης.
Για τον Χίτλερ, η Μόσχα ήταν ο πλέον σημαντικός στρατιωτικός και πολιτικός στόχος, καθώς περίμενε ότι η παράδοση της πόλης θα είχε ως επακόλουθο τη γενική κατάρρευση της Σοβιετικής Ένωσης. Όπως έγραψε ο Φραντς Χάλντερ, αρχηγός του Oberkommando des Heeres (Γενικό Επιτελείο Στρατού), το 1940, «Η καλύτερη λύση θα ήταν μια επίθεση κατευθείαν προς τη Μόσχα». Έτσι, η πόλη ήταν ο κύριος στόχος της μεγάλης και καλά εξοπλισμένης Ομάδας Στρατιών Κέντρου.
Οι δυνάμεις που διατέθηκαν για την Επιχείρηση Τυφώνας συμπεριλάμβαναν τρεις στρατιές (την 2η, την 4η και την 9η) υποστηριζόμενες από τρεις Ομάδες Πάντσερ (την 2η, την 3η και την 4η) και τον 2ο Αεροπορικό Στόλο της Λουφτβάφε. Συνολικά διατέθηκαν πάνω από ένα εκατομμύριο άνδρες, 1.700 άρματα και 14.000 πυροβόλα. Η γερμανική αεροπορική δύναμη είχε μειωθεί δραστικά. Από τις 22 Ιουνίου η Λουφτβάφε είχε χάσει 1.603 αεροσκάφη, ενώ 1.028 είχαν υποστεί σοβαρές ζημιές. Έτσι ο 2ος Αεροπορικός Στόλος είχε μόνο 549 λειτουργικά αεροσκάφη, συμπεριλαμβανομένων και 158 μέσα και καθέτου εφορμήσεως βομβαρδιστικά και 172 μαχητικά. Η επίθεση βασίζονταν στην καθιερωμένη στρατηγική του κεραυνοβόλου πολέμου («Μπλίτσκριγκ»), χρησιμοποιώντας τις ομάδες Πάντσερ για βαθιά διείσδυση στους σοβιετικούς σχηματισμούς, εκτελώντας διπλούς κυκλωτικούς ελιγμούς, ώστε να περικυκλωθούν οι σοβιετικές μεραρχίες και να καταστραφούν.
Αντιμέτωπα με τη Βέρμαχτ ήταν τρία σοβιετικά μέτωπα, τα οποία απαρτίζονταν από εξαντλημένες στρατιές που είχαν ήδη εμπλακεί σε πολύμηνες μάχες. Οι δυνάμεις που διατέθηκαν για την υπεράσπιση της πόλης ήταν συνολικά 1.250.000 άνδρες, 1.000 άρματα και 7.600 πυροβόλα. Η Σοβιετική Αεροπορία (Voenno-Vozdushnye Sily) είχε υποστεί σοβαρότατες απώλειες χάνοντας 7.500ή 21.200 αεροσκάφη. Με ασυνήθη βιομηχανικά επιτεύγματα οι απώλειες είχαν αρχίσει να αντικαθίστανται και έτσι η σοβιετική αεροπορία διέθετε 936 αεροσκάφη, από τα οποία 578 βομβαρδιστικά, για την άμυνα της πρωτεύουσας.
Ακόμα όμως και με τις ενισχύσεις, η αεροπορική δύναμη αντιστοιχούσε στο ένα τέταρτο της προπολεμικής της ισχύος.Τα στρατεύματα και ο οπλισμός, ενώ λόγω του αριθμού τους και μόνο αποτελούσαν σοβαρή απειλή για τη Βέρμαχτ, ήταν ανεπαρκώς τοποθετημένα, με τα περισσότερα από αυτά να είναι αναπτυγμένα σε μία απλή γραμμή, έχοντας λίγες ή και καθόλου εφεδρείες στα μετόπισθεν.Στα απομνημονεύματά του ο Βασιλιέφσκι σημείωσε ότι ενώ οι άμεσες σοβιετικές αμυντικές γραμμές ήταν καλά προετοιμασμένες, αυτά τα λάθη στην τοποθέτηση των στρατευμάτων ήταν ο κύριος λόγος για την αρχική επιτυχία της Βέρμαχτ.Επιπλέον, πολλές μονάδες είχαν σοβαρή έλλειψη εμπειρίας καθώς και ελλείψεις σε καίριας σημασίας εξοπλισμό (όπως αντιαρματικά όπλα), ενώ τα άρματά τους ήταν παρωχημένα μοντέλα
Όλο τα ανθρώπινο δυναμικό στο μέτωπο: Μοσχοβίτισσες σκάβουν αντιαρματικές τάφρους γύρω από τη Μόσχα το 1941
Η σοβιετική διοίκηση ξεκίνησε να κατασκευάζει εκτεταμένα αμυντικά έργα στην πόλη.Το πρώτο μέρος των οχυρώσεων Ρζεβ-Βγιάζμα κατασκευάστηκε στη γραμμή Ρζεβ-Βγιάζμα-Μπριάνσκ. Το δεύτερο, η γραμμή άμυνας Μοζάισκ, ήταν διπλή αμυντική οχύρωση εκτεινόμενη μεταξύ Καλίνιν και Καλούγκα. Τέλος, ένας τριπλός αμυντικός δακτύλιος κατασκευάστηκε γύρω από την πόλη, αποτελώντας την Αμυντική Γραμμή της Μόσχας. Αυτά τα αμυντικά έργα ήταν κατά μεγάλο μέρος ανέτοιμα στο ξεκίνημα τις επιχείρησης, λόγω της ταχύτατης γερμανικής προέλασης.Επιπλέον το γερμανικό σχέδιο της επίθεσης ανακαλύφθηκε σχετικά αργά, και τα σοβιετικά στρατεύματα διατάχθηκαν να υιοθετήσουν απόλυτη αμυντική στάση μόλις στις 27 Σεπτεμβρίου 1941. Εντούτοις σχηματίζονταν νέες σοβιετικές μεραρχίες στον Βόλγα, την Ασία και τα Ουράλια, και ήταν ζήτημα μερικών μηνών μέχρι οι καινούργιες μονάδες να τεθούν σε υπηρεσία κάνοντας έτσι τη μάχη και αγώνα ενάντια στο χρόνο.
Αρχικά οι σοβιετικές δυνάμεις αμύνθηκαν στην περιφέρεια της Μόσχας κατασκευάζοντας τρεις αμυντικές ζώνες και αναπτύσσοντας νέες επίστρατες εφεδρείες καθώς και στρατεύματα από την Σιβηρία και την Άπω Ανατολή. Εν συνεχεία, αφού αναχαιτίστηκε η γερμανική επίθεση, ξεκίνησε η σοβιετική αντεπίθεση και διάφορες μικρότερης κλίμακας επιθέσεις ώστε να εξαναγκαστούν οι γερμανικές δυνάμεις να υποχωρήσουν σε θέσεις γύρω από τις πόλεις Οριόλ, Βυάζμα και Βιτέμπσκ, σχεδόν περικυκλώνοντας τρεις γερμανικές στρατιές στην πορεία.
Η Μάχη της Μόσχας ήταν μία από πλέον σημαντικές μάχες του Β’ Παγκοσμίου Πολέμου, κυρίως επειδή οι Σοβιετικοί κατάφεραν να εμποδίσουν την πιο σοβαρή απόπειρα κατάληψης της πρωτεύουσάς τους. Η μάχη ήταν μία από τις μεγαλύτερες όλου του πολέμου, με περισσότερες από 1.000.000 απώλειες. Αποτέλεσε σημείο καμπής, καθώς ήταν η πρώτη φορά από το 1939, οπότε ξεκίνησε τις πολεμικές επιχειρήσεις η Βέρμαχτ, που υποχρεώθηκε σε μεγάλης κλίμακας υποχώρηση. Η Βέρμαχτ είχε αναγκαστεί να υποχωρήσει και νωρίτερα, κατά τη διάρκεια της Επίθεσης Γιέλνια τον Σεπτέμβριο του 1941 και κατά τη διάρκεια της Μάχης του Ροστόφ (η οποία ήταν η αιτία να χάσει ο φον Ρούντστεντ τη διοίκηση των γερμανικών δυνάμεων της ανατολής), αλλά αυτές οι υποχωρήσεις ήταν ήσσονος σημασίας συγκρινόμενες με αυτήν της Μόσχας.