Еще 21 июля 1940 года Гитлер официально объявил высшему генералитету о намерении нанести превентивный удар по Советскому Союзу. 18 декабря 1940 года фюрер подписал директиву «Барбаросса».
В 3.30 утра 22 июня 1941 года Германия без объявления войны напала на СССР. За первую неделю боевых действий немцы заняли всю Западную и Центральную Белоруссию, отбросив войска Западного фронта далеко на восток. В окружении западнее Минска оказались 3 советские армии. На Украине советские войска провели контрнаступление в районе Львова, но затем также начали отход. Уже 7 июля немецкие войска прорвали оборону Юго-Западного фронта и через несколько суток немецкие танки вышли к Киеву, где были остановлены. 30 июня 1941 года по приказу Сталина был арестован, а затем расстрелян командующий Западным фронтом генерал Павлов, его сменил Тимошенко. 6 июля он попытался провести контрнаступление в районе Лепеля, но был отброшен назад. 15 июля немцы ворвались в Смоленск. На протяжении всего сражения за Смоленск Жуков неоднократно требовал от Сталина разрешить войскам Юго-Западного фронта оставить Киев и отойти от Днепра, в результате он был снят с поста начальника Генштаба и отправлен командовать Резервным фронтом, которому предстояло провести контрудар под Ельней. В течение августа его войска окружили и уничтожили группировку противника и 5 сентября отбили Ельню. Однако обстановка на фронтах оставалась крайне тяжелой. В августе немецкие танки смяли Брянский фронт, после чего развернулись на юг и устремились на Украину. В сентябре танковые клинья вермахта замкнули кольцо окружения восточнее Киева, окружив войска Юго-Западного фронта. На севере немецкие части уничтожили советскую группировку в Прибалтике, 30 августа вышли на берег Невы и 8 сентября блокировали Ленинград с суши. На юге противник почти полностью занял Украину и вышел к Ростову-на-Дону. В первые месяцы войны немцы уничтожили и взяли в плен практически весь кадровый состав РККА — 35 армий, в плен попало 3,8 млн. советских солдат и офицеров. На центральном направлении в течение сентября немецкая армия окружила и разгромила войска Резервного фронта Буденного и Западным фронтом Конева. Новым командующим Западного фронта был назначен Жуков. 13 октября немцы продолжили наступление на Москву и к концу месяца вышли на ближние подступы к столице. На северном фланге они захватили Калинин, после чего выделили этот фланг Западного фронта в отдельный Калининский фронт под командованием Конева. В середине ноября ударили сильные морозы и темпы немецкого наступления стали падать. 2 декабря немецкий разведывательный батальон прорвался в район Шереметьева, но был уничтожен. Дальше немцы продвинуться не смогли. 5 декабря войска Калининского, а 6 декабря — Западного и Юго-Западного фронтов перешли в контрнаступление. К началу 1942 года советские войска вышли на рубеж Ржев, реки Лама и Руза, Боровск, Мосальск, Белев, Верховье, отбросив противника на 100—250 км. Воодушевленный первыми успехами контрударов под Москвой, Сталин решил, что РККА сможет уже в 1942 году полностью разгромить вермахт.
В результате был принят полностью нереальный план ведения войны, и в январе 1942 года советские войска начали наступление по всей линии фронта. В результате на московском направлении немцы окружили и разгромили 2 советские армии в районе Вязьмы. Под Ленинградом в «котле» оказалась 2-я ударная армия, командующий которой генерал Власов сдался в плен. На юге высаженный в декабре 1941 года в Крыму советский десант был уничтожен. В апреле 1942 года немецкое командование разработало план, который предусматривал захват перешейка между Доном и Волгой, штурм Сталинграда и блокаду Кавказа. Противнику удалось скрыть свои намерения от командования Красной Армии, которое считало, что немцы будут снова наступать на Москву и сосредоточат основные силы под Вязьмой и Ржевом. На юге 12 мая 1942 года Тимошенко начал наступление в районе Харькова, но уже 19 мая его войска были полностью окружены. Спустя 10 дней сражение за Харьков окончилось, после чего главные силы вермахта развернули мощное наступление в направлении Сталинграда и Кавказа. Советские войска стремительно откатывались, оставляя в руках противника огромные территории. 28 июля Сталин подписал приказ № 227, по которому офицеры и политработники получали право расстреливать на месте солдат за панику и трусость. Тем не менее, в конце августа основная ударная сила вермахта — 6-я армия Паулюса вышла к Сталинграду и окружила его с суши. В течение 1-й половины сентября 1942 года Жуков безуспешно пытался деблокировать город с севера войсками Сталинградского фронта, после чего вместе с Василевским разработал план разгрома Паулюса. Они тщательно проработали новый план действий, легший в основу Сталинградской операции. Было решено активной обороной города изматывать противника, одновременно подготавливая крупное контрнаступление, которое могло бы в корне изменить стратегическую обстановку на юге страны. Замысел операции состоял в том, чтобы ударами с плацдармов на Дону в районах города Серафимович и.станицы Клетской и из района Сарпинских озер южнее Сталинграда разгромить войска, прикрывавших фланги ударной группировки вермахта, и, развивая наступление со сходящимися направлениями на Калач, Советский, окружить и уничтожить главные силы Паулюса.