看来，莫斯科已是指日可下。然而就在11月27日，气温在两小时内骤然下降20度，一下子跌到了零下40摄氏度。数以千计的德军士兵身无御寒之衣，情况最好的是在原来的夏装外面加一件呢制大衣，但是大衣并不是人人都有。于是成千上万的士兵染上了使人颤抖不止、全身无力的疟疾，冻伤成群，有些都冻成了残废。自11月19日以来，部队运送到前线的寒衣数量简直少得可怜，后来则干脆没有了。希特勒和他的帝国将军们后来抱怨说，对俄国首都莫斯科的进攻所以遭到失败，完全是俄国冬季异乎寻常地提早来临造成的。但事实上，并不是那一年冬季到来得早，而是德国统帅部对此干脆一无准备。因为，他们满以为早在冬季来临前就可以攻克莫斯科，当时很多指挥官对士兵们提出的一个颇有诱惑力的号召便是：“到俄国首都去过一个舒适温暖的冬季吧！”
可怕的严寒不仅摧残士兵的身体，而且还使机器停转、武器失灵。担负中央集群进攻的德军部队，在一开始受到了强大苏军的正面抵抗。由于苏军总参谋部把精锐部队都用在这个方向上，因此这里的德军从突击开始就进展不快，每推进一节纵深都要损失大量的兵员和武器。而当严寒骤然来临时，他们的坦克集群的发动机已经无法起动，机枪和自动武器不听使唤，士兵们的步枪枪栓也被冻油卡死了。与之相反，来自东西伯利亚前线的苏军精锐防御部队却完全是另一副样子：他们的机枪都披有枪套，以防止寒流的侵袭；他们的武器全有冬季特制润滑油，使用照样灵活；每个战士都头戴软质皮帽，足登高统军靴，身着棉装又配有呢制大衣，冰雪无碍。同样，苏军的坦克集群也没有出现因严寒而不能发动的情况，尤其是他们最新装备部队的T－34K新型坦克，性能之良好、威力之巨大，在当时的战场上确实无与伦比。德军除了调来88毫米速射高射炮来对它进行平射以外对它毫无办法。然而，太多的德国士兵已经到了无法忍受的地步，可怕的无休止的寒冷已经超过了人体所能支持的限度。在他们以为俄军预备队兵力不是全部被歼也已用光的时候，越来越多的苏军精锐师却源源不断地出现在他们面前，这种人为的战场变化也大大地超出了他们理智所能接受的程度。
第6装甲师的劳斯将军曾回忆起寒冷的天气对部队造成的影响时说：
严寒降低了人和武器的效率。1941年12月初，第6装甲师距离莫斯科城只有9英里，离克里姆林宫也仅有15英里。但气温的骤降和西伯利亚部队的袭击使第6装甲师不得不停止向莫斯科的进军。由于天气寒冷，我们的士兵在射击时无法瞄准，许多武器装备都无法使用。机枪表面结了冰，防冻液冻结在了大炮上，军火供应中断……只有十分之一的坦克在秋季的泥泞中幸存下来，但这些可用的坦克却由于路面太窄而无法穿过雪地……苏联的泥泞和寒冬给我们的武器和装备带来了巨大的灾难。即使我们的领导正确，士兵作战勇敢，也无法弥补部队战斗力的不足。我们严重低估了苏联，低估了这个国家的辽阔，也低估了那里体拿起的恶劣……这是显示对我们的报应。苏军的许多优势以及天气条件拯救了莫斯科，改变了战场上的局势。希特勒并没有料到会打或计划打一场冬季战争。
德军经过了两个星期在泥地雪天中的奋斗，终于在距离莫斯科仅仅20英里的地方停止了下来。甚至于连博克也都开始怀疑起再尝试继续推进的价值，尽管不久之前，他还在宣称说：最后的一营将决定胜负。”但布劳希齐因为他本人远在后方，所以仍旧坚持应不惜一切牺牲继续前进。他已经是一个病夫，对于希特勒因为战果太差而大发雷霆，感到异常的苦恼。
12月2日，德军作了最后一次努力，有些支队已经渗入到莫斯科的郊区，但整个的前进还是被滞留在莫斯科前面的森林中。