会战开始，苏军陷入极其困难的境地。除左翼在库兹涅佐夫指挥下取得胜利外，整个西方方面军不得不步步后退。科涅夫指挥的第十九集团军抵挡不住德军在维帖布斯克附近的突击，只得向斯摩棱斯克退却，得以与第十六集团军会合，并肩同德军进行战斗。叶尔沙科夫指挥的右翼第二十二集团军不幸被德军分割成两部分，被围各师各自为战。德军坦克第三集群向前推进150 公里，占领了波洛次克、涅维利、维利日、捷米多夫、杜霍夫施纳等城市，并从北面深远地包围西方方面军的第十六、第十九和第二十集团军。德军坦克第二集群则同时向前推进约200 公里，并以一部分兵力攻占奥尔沙、斯摩棱斯克、叶尔尼亚，以一部兵力合围莫吉廖夫，并夺得克里切夫。

    由库兹涅佐夫指挥的西方方面军左翼第二十一集团军于7月13日转入进攻，有的地段竟向前推进了80 公里，并同第十三集团军一起，在罗斯拉弗尔方向上阻止住了德军坦克第二集群各师的前进。这一打击对德军指挥部来说是完全出乎意料的。德军指挥部急忙从第二集团军中抽调第四十三、第五十三军，好不容易才阻止住苏军的进攻。苏军西方方面军用其左翼从南面包围德军中央集团军群，并且长时间一直保持这种态势。

    希特勒总是过高地估计自己，过快地宣布自己的胜利。7 月23 日，希特勒在同陆军总司令布劳希奇和参谋长哈尔德谈话，他十分肯定他说：“基本上有三个目标：1、列宁格勒地域。作为工业中心，同时从海上军事行动的观点来看，这一地域是重要的，它是布尔什维主义的支柱。2、莫斯科地域。3、乌克兰及其工业中心和乌克兰以东产油区”。当时，希特勒相信斯摩棱斯克战斗很快就会取胜，因此，他进一步解释说：“在斯摩棱斯克地域的战斗结束后，坦克第二和第三集群应该分两路前进，一路向右，一路向左，分别支援南方和北方两集团军群。中央集团军群应当单用步兵师的兵力对莫斯科实施进攻。”

    7 月20 日，斯大林用直通电话和铁木辛哥通话，建议他在最近几天就开始进攻，以消灭斯摩棱斯克南北的德军突击集团。铁木辛哥指挥下的西方方面军拼命奋战，使得包围圈中的第十六、第二十集团军得以突出重围。苏联军队终于顶住了中路德军的攻势。

    德国中央集团军群因此受到严重损失，其突击威力受到重创。尽管后来得到补充，但德军在7 月底的配备程度仍然有所下降。

    这样，德军想使用坦克部队帮助南方和北方两集团军群，并且只用步兵师进攻莫斯科的企图就被粉碎了。7 月28 日，德国陆军总司令部不得不在它的指令中承认：“敌人拥有庞大的预备队..固而就能顽强抵抗德军继续推进..应当估计到苏联人攻击我军暴露的两翼的一切新尝试。”7 月30 日，德军统帅部下令中央集团军群转入防御。8 月4 日，希特勒在中央集团军群司令部听取了关于德军受到重大损失，特别是坦克第二和第三集群遭受重创的报告以后说，假如他在开战之前对苏军实力能获得足够的情报，那么他“下定决心必须进攻”，苏联就要困难得多了。苏联最高统帅部采取一系列措施，改善对武装力量的领导和对作战军队的指挥，7 月30 日，预备队方面军组成。除第二十九、第三十二个集团军已转隶西方方面军外，其余各预备集团军则与莫扎伊斯克防线方面军合并组成预备队方面军。朱可夫被任命为这个方面军的司令，沙波什尼科夫接替他担任总参谋长职务。朱可夫易职，是由于他同斯大林发生的一场争吵所致。7 月29 日，朱可夫对斯大林说，不得不放弃基辅，因为必须发起对叶尔尼亚突出部的进攻，以阻止德军利用这个桥头堡进攻莫斯科。斯大林听了勃然大怒，说：“真是胡说八道。怎么能把基辅放弃给敌人？”朱可夫忍不住顶嘴