留在后方车站。
其次是苏军在莫斯科方向拥有作战飞机1200架，其中有一半是新式飞机，在一定程度上缓解了苏军火力不足的问题。最后是反攻的突然性，在进攻准备期间，朱可夫命令前线实行灯火管制，部队调动严格限制在夜间进行。
当12月5日科涅夫的加里宁方面军向德军反攻时，完全出乎德军的预料，因为德军虽然停止了全面进攻，但是战斗一直在持续。在这样的情况下，苏军能够反击的确是不符合西方的军事常规的。
1941年12月5日，苏军的反攻从莫斯科北部开始，科涅夫指挥的加里宁方面军首先渡过伏尔加河，开始向德军发起反击。有意思的是，这位战后被誉为“苏军三驾马车”之一的加里宁方面军司令员，在战前却跟最高统帅耍起了小心思。当11月30日凌晨接到反攻命令时，科涅夫向统帅部大倒苦水，强调自己的部队十分分散，短时间内无法集中起来反攻。而且他还强调自己的方面军各师普遍只剩下2000~3000的兵力，还缺少火炮、坦克等重型武器。总而言之，方面军无法完成统帅部交给的任务。
已经接替沙波什科夫出任苏军总参谋长的华西列夫斯基对科涅夫并不买账。根据他的估算，加里宁方面军所辖的15个步兵师和1个骑兵师中，第252步兵师应该还有5800人、第256师有6800人、第246师有6800人、第119师有7000人。除此之外，统帅部还刚刚调给加里宁方面军一个满员9000人的第262步兵师，以及由方面军指挥的9个炮兵团，科涅夫陈述的唯一事实是他的方面军缺少坦克。
在加里宁方面军当面，是斯特劳斯指挥的德军第9集团军的左翼。其中，第27军部署在加里宁城以南，对面是苏军第31集团军；第6军部署在加里宁以西，对面是苏军第29集团军，双方战线基本沿着伏尔加河形成对峙；第23军部署在整个集团军群的最左侧，和北方集团军群第16集团军第2军衔接，该军的对面是加里宁方面军的第22集团军。
1941年12月5日，莫斯科的气温已经降至零下40摄氏度，很多德军士兵挤在还没有被炮火毁坏的建筑物里躲避严寒。凌晨3时，处在加里宁方面军中路的第29集团军率先发起了进攻，炮火声打破了战场上的宁静，突如其来的打击，让德军惊慌失措。苏军的滑雪营是战场上推进速度最快的作战单元，他们越过结冰的伏尔加河，突入德军的前沿阵地。然而，德军毕竟训练有素、久历战场，在苏军突入1.5公里后，德军开始组织起防御，苏军的推进骤然停止。
在加里宁以南，苏军第31集团军的进展要顺利得多，在反攻的第一天，他们就突入德军阵地纵深20多公里。12月9日，第31集团军夺取了图尔基诺沃，在德军第9集团军和第3装甲集群之间打开了一个缺口。此时，加里宁城已经陷入苏军北、东、南三个方向的包围。
12月6日，西方面军的右翼也投入了进攻。作为反攻的主力，4个集团军从北至南分别为第30集团军、第1突击集团军、第20集团军和第16集团军，为了支援地面部队的反攻，苏军航空兵部队投入了700架飞机提供空中火力支援。在他们对面，是德军第3、第4装甲集群和第9集团军右翼，共有7个装甲师、3个摩托化师、12个步兵师。在此前作战中，虽然丧失了大量坦克和步兵，但仍然有30余万兵力和相当数量的坦克。
从兵力上看，朱可夫的兵力并没有优势。所以，他给各集团军司令员制定的作战目标也非常有限，他能够依靠的就是能够达成战役的突然性。此时的战场态势的确对苏军反攻有利，至12月4日，德军仍然在局部地区发动进攻，他们是以一个进攻的阵型部署在战线的几个重要方向，还没有来得及在整个防线建立完整的防御阵地，很多地方的兵力都十分薄弱，甚至是无人防守。
4个集团军最北端是列柳申科指挥的苏军第30集团军，该集团军共有10个步兵师，其中有6个是从乌拉尔和西伯利亚抽调来的精锐部队，总兵力7.2万人，装备有76毫米火炮和迫击炮303门，反坦克炮77门、高射炮25门、火箭炮19门和21辆坦克。他们领受的任务是和第31集团军一道在德军第9集团军与装甲集群之间打开一个口子，并切断加里宁至莫斯科之间的铁路和公路。由于是德军两个重兵集团的结合部，苏军第30集团军的对面德军兵力非常薄弱，只有已经疲惫不堪、损失严重的第14和第36摩托化师一部。
12月6日6时，列柳申科没有经过炮火准备，他将第8坦克旅作为前锋，3个步兵师跟在坦克后面向德军发起进攻。进攻达成突然性，苏军很快就突破了德军的防线。随后，罗特米斯特罗夫指挥的第8坦克旅在步兵第365师的支援下向德军的防御据点克林方向推进，迫使第3装甲集群司令莱因哈特将该集群的其他各师后撤，从而为苏军其他集团军闪出了空间，还将霍普纳指挥的第4装甲集群的左翼暴露给苏军。
12月7日，列柳申科的部队已经推进