Контрнаступление началось 5—6 декабря 1941 года на фронте от Калинина до Ельца. Боевые действия сразу же приняли ожесточенный характер. Несмотря на отсутствие превосходства в живой силе и технических средствах, на сильные морозы, глубокий снежный покров, войска левого крыла Калининского и правого крыла Западного фронтов уже в первые дни контрнаступления прорвали оборону противника южнее Калинина и северо-западнее Москвы, перерезали железную дорогу и шоссе Калинин — Москва и освободили ряд населенных пунктов.

Одновременно с войсками, наступавшими северо-западнее Москвы, перешли в контрнаступление войска левого крыла Западного и правого крыла Юго-Западного фронтов. Сильные удары войск Красной Армии по фланговым группировкам группы армий «Центр», предназначенным для окружения Москвы, заставили немецко-фашистское командование принять меры по спасению своих войск от разгрома.

8 декабря Гитлер подписал директиву о переходе к обороне на всем советско-германском фронте. Группа армий «Центр» получила задачу любой ценой удерживать важные в стратегическом отношении районы.

9 декабря советские войска освободили Рогачево, Венев, Елец, 11 декабря — Сталиногорск, 12 декабря — Солнечногорск, 13 декабря — Ефремов, 15 декабря — Клин, 16 декабря — Калинин, 20 декабря — Волоколамск. 25 декабря советские войска на широком фронте вышли к Оке. 28 декабря был освобожден Козельск, 30 декабря — Калуга, в начале января 1942 года — Мещовск и Мосальск.

К началу января 1942 года войска правого крыла Западного фронта вышли на рубеж рек Лама и Руза. К этому же времени войска Калининского фронта вышли на рубеж Павликово, Старица. Войска центра Западного фронта 26 декабря освободили Наро-Фоминск, 2 января — Малоярославец, 4 января — Боровск. Успешно развивалось контрнаступление на левом крыле Западного фронта и в полосе Брянского фронта (воссоздан 18 декабря 1941 в составе 3-й, 13-й и 61-й армий; командующий генерал Я. Т. Черевиченко, член Военного совета А. Ф. Колобяков, начальник штаба генерал-майор В. Я. Колпакчи).

Войска Брянского фронта во взаимодействии с войсками левого крыла Западного фронта к началу января 1942 года достигли рубежа Белев, Мценск, Верховье. Это создавало благоприятные условия для окружения группы армий «Центр».