战争初期，德军以闪击战，兵分三路，突破苏军防线，向苏联境内推进了数百公里，取得了暂时的胜利。苏军第一线部队遭到重大损失，节节后退。
至7月10日，德军进逼到第聂伯河。德陆军总参谋长哈尔德在日记中写道：“我可以毫不夸大地说，对俄战局在14天内就已经取得胜利。”在这种形势下，苏军统帅部立即修改了作战计划，将原来的战略反击转为战略防御，以此阻遏德军攻势，稳住战线，赢得时间，消耗敌人。
为适应战略指导思想的转变，首先改组了统帅与指挥机关。7月10日，苏军统帅部改组为总统帅部，由斯大林亲自主持。在总统帅部下，设立中间指挥机构，针对德军的三个主攻方向，分别成立西北方向指挥部、西方方向指挥部和西南方向指挥部，由苏联元帅伏罗希洛夫、铁木辛哥和布琼尼领导。7月19日，斯大林出任苏联国防人民委员；8月8日，总统帅部改名为苏联武装力量最高统帅部，斯大林为最高统帅。
苏联党和政府采取一系列措施，实施战略防御计划。决定在德军三个主要进攻方向上，迅速构筑坚固的工事，在纳尔瓦、普斯科夫、波洛茨克、第聂伯、赫尔松一线建立战略防御线，抵御德军，特别在正西方向上，将主力集中在斯摩棱斯克一带，以阻击德军进犯莫斯科。为便于指挥，提高部队的机动性，决定取消军的建制，由集团军直接指挥师。
8月1日，斯大林签署组建总后勤部、方面军、集团军后勤部的命令，以保障后勤供应。在“一切为了前线！一切为了胜利”的号召下，发布广泛的动员令，号召1905年-1918年出生、并有服兵役义务的人参军，在很短的时间内，便有530万人参军，其中有共产党员100万人，共青团员200万人。建立起庞大的战略预备队。在沦陷区内，苏联人民展开了游击战争，开辟了武装反抗德国法西斯的新战线。
战争初期的失利，不仅使苏联丧失了150万平方公里的领土，而且使占全国生产量63％的煤、68％的铁、58％的钢、38％的小麦、84％的糖和60％的牲畜陷于敌手。为实施战略防御计划，苏联及时地将国民经济转入战时轨道。8月16日，党中央批准了1941年第四季度和1942年经济计划。决定将受战争威胁地区的工业企业迁到东部地区，并立即投入生产。
从1941年7月至11月，从波罗的海沿岸和乌克兰等地区，共有1500多个大型企业迁至伏尔加河流域、乌拉尔、哈萨克斯坦、中亚细亚和西伯利亚；2500万西部居民撤退到后方。到1942年3月，军工生产已达到战前水平。
在军事上，1941年夏秋，苏军进行了几次重大的防御战役。
在正西方向上，苏军展开斯摩棱斯克保卫战。
这一战役是在南北长达600公里，东西纵深约200公里的地区展开的，从7月10日开始，时间长达2个月。7月10日，由冯·包克元帅指挥的德中央集团军群，投入29个师的兵力，由古德里安指挥的坦克集团军打头阵，向苏军发起猛烈进攻。由苏联元帅铁木辛哥指挥西方方面军当时只有24个师进行防御，形势对苏军极为不利。德军企图把苏军的防御分割为三段，将苏西方方面军合围并歼灭。7月12日，德军已在罗加切夫和维帖布斯克之间苏军的防线上攻破了一个大缺口，接着在奥尔沙至莫吉廖夫以南地段强渡第聂伯河，迂回斯摩棱斯克，7月16日，攻陷该城。很快控制第聂伯河至杰斯纳河之间地区。使苏军遭到很大损失。最高统帅部从预备队中增调20个师，加强西方方面军。从7月23日至25日，苏军从别累伊——亚尔策沃——罗斯拉夫利分别向斯摩棱斯克实施突击，企图与被围苏军会合，粉粹在该城南、北两个方向上的德军。投入这次突击的，除西方方面军外，还有库兹涅佐夫上将指挥的中央方面军和朱可夫大将指挥的预备队方面军。突击使德军受到一定损失，被围苏军与主力会合，但未能消灭斯摩棱斯克的德军。8月初，希特勒窜到包克的司令部。希特勒与陆军将领在战略主攻方向上发生了分歧，包克和古德里安主张长驱直入，攻打莫斯科；但希特勒认为，主攻方向应是列宁格勒和南方。8月21日，希特勒发出明确指令：
“在冬天来临前，头等大事不是攻克莫斯科，而是占领克里木半岛，占领顿涅茨河流域的工业区和煤矿区，切断来自高加索油田的俄国供应线。”这样，德第2坦克集团军和第3集团军转向南方，以增援由龙德施泰特指挥的德南方集团军群。在戈梅利，两路德军包围了苏中央方面军，苏军被歼大部。
8月底、9月初，苏西方方面军、预备队方面军和布良斯克方面军在耶尔尼亚地区实施了反击。至9月10日斯摩棱斯克战役结束。这次战役阻击和削弱了德军，使德军未能长驱直入进攻莫斯科，为苏军加强莫斯科防御赢得了时间。
在西南方面的乌克兰战线，苏军也展开了一系列激烈的防御战。当时由龙德施泰特指挥的德军南方集团军群和仆从国部队约82个师，苏军投入的兵力是由布琼尼元帅指挥下的西南方面军和南方方面军，约86个师。德军的主攻方向首先是基辅。7月11日，德军先头部队在两天内推进110公里，距基辅以西只有15至20公里。7月底到8月中，双方在基辅地区展开激烈的争夺战，在右翼和正面苏德军队互有攻守，在左翼，苏第6、12集团军遭到重大损失。7月30日和8月6日，德军二次对基辅发动大规模进攻，但未能得逞。基辅军民同仇敌忾，英勇奋战，许多基辅居民参加了保卫战。8月8日，希特勒命令德中央集团军群的第2坦克集团军和陆军第2集团军25个师挥师南下乌克兰，企图包抄和合围苏西南方面军。9月12日，德第一坦克集团军北上，9月15日，这两支坦克部队在基辅以东洛赫维察会师，包围苏四个集团军，大量苏军伤亡。9月19日，苏军被迫放弃基辅。
8月5日至10月16日，苏军独立滨海集团军和里海舰队一部，进行了敖德萨保卫战，在这个重要的海港要塞坚守73天。
9月底，德军在占领基辅以东、第聂伯河左岸的乌克兰地区后，又继续发动进攻，企图占领哈尔科夫、顿巴斯和罗斯托夫，打通占领高加索油田的道路。因此，从9月底至11月初，苏军又展开了顿巴斯防御战；11月初至12月初，在罗斯托夫实施防御战役；10月中至12月底，进行了着名的塞瓦斯托波尔保卫战。
在西北方向，苏联军民誓死坚守列宁格勒，长达三年零一个月(1941年7月10日至1944年8月10日)，在苏联卫国战争中写下了光辉的一页。
在列宁格勒保卫战的第一阶段(1941年7月10日至年底)，德军方面投入的兵力是冯·李勃元帅指挥下的北方集团军群的三个集团军和德第4坦克集团军，还有芬兰东南集团军和卡累利阿集团军，共38个师又3个旅，还有德第5航空队和芬兰空军的1600架飞机；苏军方面投入作战的是北方方面军和西北方面军，共47个师又3个旅，但大部分都不是满员师。
7月10日，德军向节加和诺夫哥罗德进攻，遭到苏军的顽强抗击，7月18日迫使德军后撤40公里。7月底、8月初，德军重作调整，分左、中、右三路，分别向赤卫城、卢加、诺夫哥罗德进攻，并企图与从北面向列宁格勒进攻的芬兰军队会合，(当时芬兰军队以15个师又3个旅的兵力在北面发起进攻，已恢复到1939年的苏芬边界一线)。8月21日，德军左路逼近赤卫城，切断了列宁格勒与卢加的铁路与公路线；8月15日和8月20日，德军右路攻占了诺夫哥罗德和楚多沃，切断了莫斯科与列宁格勒之间的交通线。8月底，德军进抵涅瓦河，并攻入列宁格勒城南20公里的筑垒地区。9月8日，攻占拉多加湖畔的什利谢尔堡，至此，德军已从陆上全部封锁了列宁格勒，惟一的对外联系只能通过拉多加湖进行。9月9日起，德军对列宁格勒先是进行猛烈的炮击和轰炸，随后以11个师的兵力发起进攻，企图从南面和东南方向突击。战斗激烈到了白热化程度。9月12日，苏联最高统帅部派朱可夫大将接替伏罗希洛夫元帅，9月15日，德军坦克已突入距列宁格勒城南仅10公里处，苏军组织了两道城防线和6个防御地域，进行顽强抵抗。列宁格勒成为军民共同坚守的保垒，挖了总长达390英里的壕沟，修了22英里长的路障以及15000个地堡。在列宁格勒处于完全被包围但又久攻不克的情况下，希特勒下令对该城实行封锁，并进行空袭，投弹达93116枚，企图以饥饿来困死军民。居民面包配给量先后5次降低，11月中旬降低到每天125克至250克。9月底，战线趋于稳定，列宁格勒继续巍然屹立，希持勒的狂妄野心终未实现。
