在卡希拉和圖拉一帶的作戰中嚴重受挫的德軍撤退時，德軍第2坦克集團軍和第4集團軍之間出現了一個大缺口。1941年12月17日傍晚，該缺口竟寬達30公裏。
朱可夫決定利用這個缺口大做文章，蘇軍向利赫溫、蘇希尼奇兩地發起攻勢：第50集團軍、第49集團軍奉命發起突襲，去收複卡盧加市；近衛騎兵第1軍奉命通過結冰的奧卡河後，其主力進攻尤赫諾夫市，切斷德軍從卡盧加向西的退路；第10集團軍進攻科澤利斯克市、蘇希尼奇市；航空兵的任務是支援進攻的地麵部隊。
卡盧加戰役是圖拉進攻戰役結束後不久準備的。朱可夫要求各級指揮官、司令部和政治機關加快采取措施完成進攻所必需的兵力部署。蘇軍政治機關利用蘇軍在圖拉進攻戰役中所表現的英雄主義為榜樣，做了大量思想政治工作，以提高軍隊的進攻士氣。
12月17日晨，蘇軍大舉進攻。第50集團軍的步兵第154師、坦克第112師、騎兵第31師和圖拉工人團冒著大雪，經過3晝夜推進了90公裏，到達卡盧加南郊。德軍投入了警衛團、步兵第31、第131師部隊，並投入第20坦克師和第137步兵師，加強了防禦力量。
德軍中央集團軍群總司令博克長期患有嚴重的胃病。由於德軍在莫斯科城外戰敗了，他的健康狀況惡化。他不得不放棄指揮權，由克魯格接替。克魯格於12月18日離開第4集團軍，接管中央集團軍群。
蘇軍先頭部隊攻入卡盧加城內不久，與蘇軍主力的聯係被德軍切斷了。蘇軍先頭部隊進行了艱苦的巷戰。12月30日，蘇聯第50集團軍和第49集團軍左翼各兵團攻下卡盧加。
蘇軍近衛騎兵第1軍、第10集團軍和遊擊隊密切配合，通過了奧卡河。至1942年1月5日，到達洛巴諾沃、普列捷涅夫卡、祖博沃、蘇希尼奇以東一帶，占領奧多耶沃、利赫溫、別廖夫、科澤利斯克等市。
蘇軍殲滅了德軍5000多人，繳獲火車38輛、車廂300節、重卡282輛、輕卡52輛、坦克25輛、火炮38門。蘇軍還繳獲了大量軍用物資。收複卡盧加後，蘇聯西方方麵軍左翼與中央各集團軍之間的聯係得到了加強。
西方麵軍防線向西推進了120-130公裏，有力地牽製了德軍戰役預備隊，減輕了莫斯科大反攻的壓力。
蘇聯政府對外宣布，德軍包圍莫斯科的企圖已經失敗。蘇聯報紙刊登了贏得莫斯科會戰勝利的紅軍將領們的照片，他們分別是朱可夫、列柳申科、庫茲涅佐夫、羅科索夫斯基、戈沃羅夫、鮑爾金、戈利科夫、別洛夫和弗拉索夫。其中，朱可夫的一張大照片位於中央，周圍是其他將領較小的照片。
正如蘇聯所說的，強大的蘇聯反擊部隊在空軍的有力支援下，越戰越勇，到1942年1月初，已經完全擊潰了竄至莫斯科城下的德中央集團軍群的突擊兵團，德軍被迫後退了100-250公裏，從而解除了德軍對莫斯科的直接威脅。
當蘇軍發起反擊時，正在受凍挨餓的德軍不得不在沒有足夠冬季裝備的條件下垂死掙紮，傷亡慘重，根本阻止不了蘇軍的攻勢，德軍防線到處出現了危機。
德軍不得不承認 “已到了山窮水盡的地步”，並且準備將部隊撤往庫爾斯克-奧廖爾-勒爾-線作為德軍的“冬季陣地”。
在莫斯科城下的激戰中，德軍的損失是毀滅性的，希特勒向莫斯科發動的“台風”攻勢遭到失敗。
在莫斯科戰役勝利的鼓舞下，最高統帥斯大林決定乘勝追擊，發動全國大反攻。斯大林說：“德軍由於在莫斯科附近的失敗而驚慌失措，而且他們過冬的準備很差，現在正是我們轉入進攻的最好時機。”
斯大林的意圖是：以西方正麵為主攻方向，消滅德國中央集團軍的主力，奪回斯摩棱斯克；在北方，消滅列寧格勒附近的敵軍，解除敵人對列寧格勒的包圍。
蘇軍最高統帥部決定利用德軍失去進攻勢頭的有利時機，在西方、西北和西南戰略方向發起總攻，並以西方正麵為主攻方向，向德軍及其仆從軍發動了全線進攻。