1941年10月6日，德军第4装甲集群下属的第57摩托化军对莫扎伊斯克防线上的小雅罗斯拉韦茨发起了一次试探性的进攻。这支进攻部队包括1个摩托化团、3个炮兵营、1个工兵营以及1个轻型坦克连，其任务是迅速抢占乌格拉河上的渡口，为德军进一步向莫斯科挺进铺设桥头堡。幸运的是，当天刚抵达前线的莫斯科波尔斯克炮兵学校学员和一支苏军伞兵部队迅速投入战斗。他们付出了100多人伤亡的代价，却成功阻止了德军的进攻。据战后统计，德军在战场上遗尸300多具，5辆坦克被击毁。这次小规模的抵抗，为苏军争取了宝贵的时间，新援部队得以陆续抵达防线。

随着时间推移，苏军陆续调动新兵力。苏维埃最高军事学校和第1炮兵学校的学员兵，以及第316步兵师（即潘菲洛夫师）进入防线北端的沃洛科拉姆斯克沿拉马河、鲁扎河布防；莫斯科军政学校、军事工程学校学员，第32、第133步兵师，以及第18、第19、第20坦克旅进入防线中段的莫扎伊斯克；第312步兵师和第17坦克旅驻守小雅罗斯拉韦茨；近卫第5步兵师布防卡卢加。10月12日，原西方面军撤下来的部队也到达防线，罗科索夫斯基率领的第16集团军司令部和第18民兵师接管沃洛科拉姆斯克一段防御，并将包括潘菲洛夫师在内的部队纳入第16集团军作战序列。莫扎伊斯克的部队则组建第5集团军，由列柳申科少将统一指挥；小雅罗斯拉韦茨的部队归入第43集团军，由戈卢别夫少将指挥；卡卢加的防御力量划入扎哈尔金的第49集团军。整个防线兵力超过9万余人，配备500多辆坦克（KV型和T-34型共257辆），作战飞机344架，其中夜间和复杂气象条件下可作战的飞行员达118名。此外，为了巩固防线，25万莫斯科平民被动员参与工事建设，形成一道坚固屏障。

与此同时，德军在维亚济马合围圈中已提前庆祝胜利。陆军军需部长瓦格纳在10月5日的私人信中写道：我们的部队如潮水般涌向莫斯科，俄国的覆灭似乎指日可待，克里姆林宫今晚就会卷起行李逃离。他还不忘夸赞希特勒：每次军事判断都准确无比，这次干预再次决定了战局。德军作战部长约德尔在10月8日表示：毫不夸张地说，我们已经最终赢得了战争！而希特勒本人则在10月3日的柏林活动上宣称：东方的敌人已被打败，他们再也站不起来了，我们的部队后方已掌控了两倍于1933年德意志国土的领土。随后，他飞回东普鲁士的拉斯滕堡，部署对莫斯科的最后一击，要求先包围莫斯科，再用炮火和飞机摧毁防守，同时保留几个小缺口，让市民逃往苏联东部，以制造混乱。此举与中央集团军群司令冯·博克的直线进攻计划有所不同，但德军高层都沉浸在胜利的幻想中。

北翼的战斗于10月9日打响。德军第9集团军从维亚济马合围圈抽调部队北进。10月10日，他们突破苏军第31集团军防御，第6步兵军于10月14日攻入勒热夫，并在伏尔加河夺取一座完好桥梁。然而，驻守加里宁的苏军防御空虚，前线遭遇了瓦杜丁指挥的西北方面军部队的顽强抵抗。10月17日，苏军第8和第21坦克旅击毁德军第1装甲师的一个战斗群，德军指挥官与坦克一并消失。德军后续部队赶来，第41摩托化军和第6军继续推进，苏军则利用坦克发起反击。第1装甲师试图夺取托尔诺克，但遭到伏击和反击，被迫后撤，同时德军空军出动三大队支援，暂时遏制了苏军攻势。10月29日，苏军卷土重来，冲到加里宁机场附近，对机场进行猛烈炮击，迫使驻守的德军仓皇撤退，J-52运输机被击毁。北翼的战斗让德军中央集团军群的进攻不得不谨慎应对。

南翼的莫扎伊斯克防线战斗则发生得更晚。第2装甲集团军自10月6日起推进，初期战绩亮眼，但随着德军进攻深入，前线遭遇苏军抵抗阻碍。在姆岑斯克，德军第4装甲师与苏军军校学员和伞兵遭遇猛烈交火，尽管德军企图突破，苏军第4和第11坦克旅以及卡图科夫指挥的第4坦克旅不断发起伏击，给德军造成重大损失。10月4日夜间，德军第4装甲师陷入伏击，11辆坦克被炸起火，卡图科夫果断撤离。10月5日清晨，德军再次进攻，苏军T-34坦克再度开火，迫使德军后撤。随后，喀秋莎火箭炮营支援到位，巨大的爆炸震撼战场，德军惨叫回荡于洼地，战后战果统计显示，德军坦克43辆被毁、反坦克炮16门、伤亡500余人，而苏军损失仅6辆坦克。

古德里安的第2装甲集团军士气受挫，后勤补给因泥泞道路困难重重，不得不暂停进攻。10月22日，第2集团军再次发起对图拉的进攻，然而卡图科夫第4坦克旅已北调，只剩第11坦克旅迎敌，德军推进仍异常缓慢。10月25日，古德里安迫使第50集团军节节败退，到10月29日，距离图拉城仅3公里。图拉防务空虚，苏军急调第32坦克旅以及内务部团和工人团驻守，构筑三道防御工事，并利用燃烧瓶和改装高炮将德军坦克击毁，图拉城遭德军唯一一次攻入也被迅速驱逐。

正面莫扎伊斯克防线的战斗最为残酷。苏军4个集团军9万多人，面对德军第4集团军及第3、第4装甲集群，北至南的沃洛科拉姆斯克、莫扎伊斯克、小雅罗斯拉韦茨和卡卢加陷入全线激烈交战。中央集团军群司令冯·博克很快意识到，夺取莫斯科远未结束，而朱可夫面对德国人时，能够奉上的只有钢铁般的意志——一步都不许后退的顽强抵抗。