В тяжёлые бои были втянуты все силы гитлеровских групп армий «Центр», «Север», «Юг». В результате была создана благоприятная ситуация для осуществления контрнаступления советских войск под Москвой. Контрнаступление началось 5 декабря 1941 года силами войск Западного фронта под командованием генерала армии Г. К. Жукова, Калининского фронта под командованием генерал-полковника И. С. Конева и Юго-Западного фронта во главе с Маршалом Советского Союза С. К. Тимошенко. План боевых действий был разработан начальником Генштаба Б.М. Шапошниковым и командующим Западным фронтом генералом армии Г.К. Жуковым. Смысл операции состоял в том, чтобы разгромить вражеские группировки, охватывающие столицу с севера и юга, а затем отбросить их на возможно большее расстояние от Москвы. Накануне контрнаступления Военные Советы фронтов обратились к бойцам и командирам со словами: «Под Москвой должен начаться разгром врага».
Контрнаступление советских войск под Москвой началось с проведения Калининской наступательной операции. В ходе неё после получасовой артиллерийской подготовки войска наших ударных группировок перешли в наступление. Далее последовало наступление 31-й армии генерал-майора В. А. Юшкевича. В результате Калинин был окружен с трех сторон. 15 декабря 1941 года, после того как наши передовые части ворвались в Калинин, город в ходе двухчасового боя был полностью освобожден. В ходе Калининской наступательной операции войска фронта продвинулись на 100 километров в ржевском направлении. В это время была восстановлена связь между западным и северо-западным стратегическими направлениями. Калининская операция заняла всего два дня. В ходе нее существенную поддержку Калининскому фронту оказал Северо-Западный фронт, возглавляемый генерал-лейтенантом П. А. Курочкиным. Войска фронта нанесли удар по соединениям противника из района Осташкова на Торопец, Велиж и Рудню.
В три раза дольше длилась Клинско-Солнечногорская наступательная операция. В ходе нее войска 30-й армии генерал-майора Д. Д. Лелюшенко нанесли удар в направлении Рогачева и Клина и в первый день операции прорвали немецкую оборону. 8-я танковая бригада под командованием полковника П. А. Ротмистрова перехватила шоссе Калинин-Москва. Войска, находившиеся севернее Москвы, в первый день контрнаступления прорвали фронт между Волжским водохранилищем и Димитровым и развили наступление на Клин. Второй удар был нанесён в районе Калинина. Войска, под руководством генерал-майора Л. А. Говорова, генерал-лейтенанта К.К. Рокоссовского и генерал-лейтенанта В. И. Кузнецова, отбросили немцев и выдвинулись к Солнечногорску и реке Истра
