第20和第16集团军的进攻更是顺利，12月9日，第20集团军粉碎了德军的顽强抵抗，将德军驱逐出索尔奇诺戈尔斯克，12月8日，第16集团军解放了克留科沃，并开始向伊斯特拉水库发起进攻。此外，戈沃罗夫将军指挥的第5集团军也积极向前推进，从而有力地保证了第16集团军的进攻。
在参加反攻的部队中有新从内地及远东地区调来的，也有长期坚守莫斯科防线的；有新入伍的，也有久经沙场的。这样一支有着步兵、炮兵、坦克兵、骑兵和空军组成的强大反击兵力，是德军做梦也没有想到的。等到包克反应过来，苏军的攻势已是锐不可当。从12月7日起，反攻速度不断加快，反攻的前3天，苏军便推进了30公里至50公里，而且攻势一浪高过一浪，战果也越来越大。
在反击中为扩大战果，斯大林特意将西方面军航空兵的飞机增加至1000多架，这大大超过了德中央集团军群的飞机数量。强大的反击部队在航空兵的有力支援下，越战越勇，到1942年1月初，苏军完全击溃了窜至莫斯科城下的德中央集团军群的突击兵团，德军被迫后退100公里至250公里，从而解除了德军对莫斯科的直接威胁。