12月5日，德軍稱之為“最黑暗悲慘的一天”，對蘇軍來說是整個莫斯科保衛戰中最關鍵的一天。這天，德軍在環繞莫斯科周圍320多公裏的半圓形陣地上，全線遭到蘇軍的進攻。不僅如此，所向無敵的古德裏安裝甲部隊被迫後撤，不得不在冰天雪地上組織起防線。
然而，德國人已經來不及組織防線，蘇軍的大反攻開始了。12月5至6日，蘇軍利用德軍預備隊消耗殆盡、失去進攻勢頭的有利時機，出其不意地在加裏寧至葉列茨一線開始了全線反攻，實施了加裏寧、克林—索爾涅奇諾戈爾斯克、圖拉、葉列茨和卡盧加戰役，並在羅斯托夫和季赫溫方向展開了積極的配合行動。
1. 加裏寧進攻戰役。
為圍殲加裏寧市的德軍，配合西方麵軍發動的克林-索爾涅奇諾戈爾斯克進攻戰役，朱可夫組織了加裏寧進攻戰役。
加裏寧方麵軍科涅夫上將下轄第22、第29、第31集團軍，從北麵深遠包圍莫斯科方麵的德軍。加裏寧方麵軍的任務是第29、第31集團軍分別進行突擊，第29集團軍從西麵突擊，第31集團軍從東南迂回突擊加裏寧。
1941年12月初，加裏寧方麵軍在兵力上並不比德軍第9集團軍多，但加裏寧方麵軍補給充足。科涅夫部署加裏寧方麵軍第29、第31集團軍在進攻地帶建立8個步兵師的突擊集團，保障了進攻兵力比德軍多0.5倍的優勢。
加裏寧方麵軍航空兵的任務是當方麵軍開始進攻後支援陸軍的攻勢，並阻止德軍預備隊的調動。
加裏寧戰役是蘇軍在對德軍不占優勢的情況下發動的。科涅夫的政委們做了大量工作以提高士氣。在各部隊和分隊，立過戰功的官兵們與新參軍的士兵進行思想教育。他們向新兵傳授戰鬥經驗，教新兵們各種戰術。
12月5日，經過45分鍾的炮火和航空火力的準備後，8個師的蘇軍發動了進攻。其中第29集團軍的兩個步兵師在加裏寧以西插入德軍陣地1公裏時受阻。第31集團軍從加裏寧東南向圖爾吉諾沃進攻，突破了德軍防線。12月9日傍晚，第31集團軍切斷了加裏寧-圖爾吉諾沃公路。加裏寧的德軍被蘇軍三麵包圍。德軍害怕被合圍，開始從該市陸續撤退。
12月15日，蘇軍占領加裏寧郊區，加裏寧方麵軍第31集團軍於12月16日11時攻入加裏寧。下午13時，蘇軍占領該市，消滅德軍1萬多人。蘇軍繳獲31輛坦克、9架飛機、190門火炮、近千輛卡車。
加裏寧方麵軍第39集團軍繼續向西南方向進攻，於12月25日晚前攻占維索科耶、洛托希諾以東8公裏處。
1942年1月2-7日，加裏寧方麵軍在右翼進攻伏爾加河地區，中央在勒熱夫市西北發起攻勢。在勒熱夫地域和洛托希諾以北，德軍擋住了蘇軍。加裏寧戰役結束了，德軍第9集團軍主力受到重創。蘇軍收複加裏寧後，蘇軍防線向前移動了60-120公裏，莫斯科西部和西北兩個戰略方向恢複了聯係，加裏寧方麵軍、西方麵軍和西北方麵軍的防線連成了一片。但是，由於在進攻的組織上存在很多漏洞，蘇軍未能消滅當麵之敵和占領勒熱夫。
2.克林-索爾涅奇諾戈爾斯克進攻戰役。
1941年12月，朱可夫給西方麵軍下達的任務是在克林、伊斯特拉、索爾涅奇諾戈爾斯克消滅德國第3、第4坦克集團軍，解除德軍從西北方向對莫斯科的威脅。
西方麵軍在克林-索爾涅奇諾戈爾斯克進攻戰役的計劃中規定：第30、第1、第20、第16集團軍從東北和東麵對德軍發動向心攻擊。第5集團軍從莫斯科河左岸發動進攻，保護突擊集團的側翼。
12月6日，蘇軍第30集團軍發動了進攻，至9日晚前推進了20公裏。蘇軍占領了羅加切沃、亞穆加等地，切斷了克林以北的加裏寧-莫斯科公路。
蘇聯第1集團軍收複亞赫羅馬後，向東南進攻克林。第1集團軍兩天內進攻8公裏。
蘇聯第20集團軍收複了紅波利亞納、白拉斯特，進攻索爾涅奇諾戈爾斯克。
蘇聯第16集團軍收複了克留科沃鎮後，繼續進攻伊斯特拉。
蘇聯西方麵軍航空兵全力支援進攻的各集團軍，重創了各地的德軍。12月6-11日，在克林、羅加切沃地域，航空兵出動飛機700多架次。
12月11日，蘇軍收複伊斯特拉。12月12日，蘇軍收複索爾涅奇諾戈爾斯克。12月15日，蘇軍收複克林。德軍撤退時炸毀了橋梁，在道路上埋設了大量地雷，並燒毀了大量房屋。
12月16日，蘇聯西方麵軍要求各集團軍繼續追擊德軍，要求以更快的速度占領交通樞紐、橋梁和重要戰略要地。許多蘇軍部隊滑著雪對德軍進行了追擊。
12月17日，蘇軍各路騎兵和裝甲部隊、滑雪支隊消滅了德軍的後衛部隊。12月20日，蘇軍收複了沃洛科拉姆斯克。
12月21日傍晚，蘇聯西方麵軍占領了拉馬河、魯紮河一線，在那裏遭到德軍的頑強抵抗。蘇軍繼續突破該地德軍防線的進攻失敗了。