守卫莫斯科
1941年10月7日黄昏，朱可夫飞抵莫斯科。他立即前往克里姆林宫。斯大林独自一人在办公室里。他同朱可夫打过招呼后，便指着地图开门见山地说：“你瞧，这里的情况很严重，而我又无法得到西方面军的真实情况的详细报告。我们不知道敌人进攻的地点和兵力，也不知道我军的状况，因此难以做出决定。你马上到西方面军司令部去，弄清战局，随时给我打电话，我等着。”此时局势确实十分严重。德军已开始实施进攻莫斯科的“台风”作战计划。
在9月底，德军北翼围困了列宁格勒，南翼占领了基辅，中央攻占了斯摩棱斯克，距莫斯科仅300公里—400公里，德军统帅部制定了“台风”作战计划。德军企图从北、西、南三个方面分割围歼苏军主力于维亚济马和布良斯克地区，然后从南北两个方面向莫斯科迂回，入冬前攻下莫斯科。为此，德军集结了“中央”集团军群所辖3个集团军和3个坦克集群，以及第2航空队，共78个师，180万人。希特勒在给各部队的命令中说：“进行最后一次打击的条件终于成熟。这一打击应在冬季到来前致敌于死命。”苏军最高统帅部在莫斯科以西建立了纵深300公里的三道防线。进行防御的是西方面军、布良斯克方面军和预备队方面军所辖的15个集团军和1个战役集群共125万人。
9月30日，古德里安的第2坦克集团军首先向布良斯克方面军实施突击。10月2日，德军主力在维亚兹马方向发起进攻。在战斗开始后一星期内，德军突破苏军第一道防线，将布良斯克方面军编成内的3个集团军合围在布良斯克地区，将西方面军和预备队方面军编成内的4个集团军合围在维亚兹马地区。苏军多次实施突围，但除一小部分突围成功外，大部被围歼。据德军称，两地区苏军损失65万人(参见维亚济马—布良斯克战役)。朱可夫奉斯大林之命于10月7日深夜到达西方面军司令部了解战况。他很快摸清情况。10月8日深夜2时半，他向斯大林报告，主要危险在防御薄弱的莫扎伊斯克一线，敌人的坦克可以突然冲往莫斯科，必须尽快往这一线调集部队。
10月9日晚，斯大林决定将西方面军和预备队方面军合并，由朱可夫指挥。10月10日，朱可夫被任命为新整编的西方面军司令员。朱可夫清楚地认识到，“实际上，担负着保卫莫斯科的历史重任的是重新组建的西方面军”。朱可夫将已被冲垮而各自为战的西方面军各部集结起来，据守呈弧形的图尔吉诺夫—沃洛科拉姆斯克—多罗霍夫—纳罗福明斯克—谢尔普霍夫一线，顽强抵抗德军的突击。德军的进攻速度急剧下降。11月1日，斯大林问朱可夫，形势是否允许莫斯科举行十月节阅兵式。朱可夫作了肯定的回答。11月7日清晨，红场上举行了隆重的阅兵仪式，全副武装的红军威武地走过红场，直接开赴前线。这次阅兵式向世界宣告，莫斯科是不可战胜的，苏军必将打败法西斯侵略者。
德国野心覆灭
11月中旬，德国中央集团军群再次向莫斯科发起大规模进攻。德军两个快速集团军分别从北面的克林和南面的图拉对莫斯科采用深远的迂回突击，企图在莫斯科以东完成合围。同时，德军在正面继续实施强攻，以图在莫斯科以西歼灭西方方面军主力。北路德军于11月23日占领克林，12月初进抵距莫斯科西北郊不到30公里的亚赫罗马。11月底和12月初，苏军以3个集团军的兵力多次进行反击，终于挫败北路德军的进攻，使之转入防御。南路德军于12月初进攻图拉，也被苏军击退。在西方方面军的正面，德军进攻受阻，退至库宾卡以北、纳罗福明斯克以南一线。德军三路进攻均受挫折。由于补给线拉得太长，运力不足，人员和武器装备供应不上，且无严寒条件下的作战准备，部队大量减员，士气下降，德军处于十分被动的地位。而苏军则越战越强，转入的条件日益成熟。
1941年11月5日，加里宁方面军开始对北路德军实施突击；6日，西南方面军开始对南路德军实施突击。1941年12月6日，朱可夫的西方方面军开始对正面之敌实施攻击。进攻发展顺利。德军遭受严重打击。1941年12月8日，希特勒下令在包括莫斯科方向在内的整个苏德战场，全线转入防御。但是德军已无力坚守防线，向西退却。12月13日，苏联宣布，红军粉碎了德军包围莫斯科的狂妄企图。苏联各报刊纷纷登载前线胜利的消息和指挥作战的苏军将领的照片。朱可夫的照片被排在报纸头版最显著的地方。1942年1月8日，苏军实施总攻。至4月20日，苏军向西推进了100至350公里，解放了莫斯科州、加里宁州、图拉州全部和奥廖尔州一部分地区，歼敌50余万。此后德军转入防御。莫斯科会战以苏军的胜利而告终。