Przygotowania operacyjne do ataku na ZSRR Niemcy rozpoczęli 31 lipca 1940, z chwilą podpisania przez Hitlera dyrektywy nr 21. Nakazał w niej Brauchitschowi i Halderowi opracowanie podstaw uderzenia na wschód. W sierpniu gen. Marcks zaprezentował pierwszą wersję planu. Przewidywała ona rozstrzygnięcie kampanii w ciągu 10-17 tygodni przy zaangażowaniu 110 dywizji piechoty, 24 dywizji pancernych i 10 zmotoryzowanych. Plan zakładał utworzenie dwóch Grup Armii operujących na dwóch kierunkach: moskiewskim i ukraińskim. Po przeprowadzeniu wnikliwej dyskusji połączonej z grami wojennymi plan przekonstruowano, dzieląc wojska na trzy grupy. Hitler wymógł na sztabowcach uczynienie z Moskwy głównego kierunku natarcia, chciał bowiem pobić Napoleona w swoich militarnych podbojach. Południowa Grupa Armii miała uderzyć przez Ukrainę w kierunku na Kaukaz, północna natomiast przeciąć linie komunikacyjne i okrążyć Leningrad. 3 lutego 1941 Hitler zatwierdził poprawiony przez OKH plan agresji. Spotkanie zakończył słowami "Kiedy zacznie się "Barbarossa" świat wstrzyma oddech z podziwu i nic nie powie.". Zamierzano użyć 116 dywizji (14 zmotoryzowanych), 19 pancernych i odpowiedniej liczby wojsk pomocniczych, których naczelnym zadaniem było zabezpieczenie linii komunikacyjnych. Dowództwo GA "Północ" powierzono feldmarszałkowi von Leebowi. W jej skład weszły 16. i 18. Armia (18 dywizji piechoty) i 1. Grupa Pancerna gen. Höpnera. Feldmarszałek von Bock objął GA "Środek" składającą się z 4. i 9. Armii oraz 2. i 3. Grupy Pancernej (Guderiana i Hotha). GA "Południe" generała von Rundstedta utworzona została utworzona z 6. i 17. Armii, wspieranych przez 3. i 4. Armię Rumuńską i 4. Grupę Pancerną generała Kleista. Uderzenie na ZSRR wstrzymywano jednak ze względu na kampanię bałkańską. Dopiero 17 czerwca 1941 podpisano ostateczny rozkaz ataku.
Natarcie rozpoczęto 22 czerwca 1941 o godzinie 330. 4,6 mln żołnierzy niemieckich wspieranych przez 900 tyś. sojuszników oraz 47,2 tyś. dział, 4 tyś. czołgów, 5 tyś. samolotów i 190 okrętów wojennych. Pierwsze dni natarcia zdawały się potwierdzać słowa Hitlera. Świat zamarł, patrząc jak niemieckie dywizje pancerne rozcinały sowieckie linie obrony. Doskonale zaplanowane uderzenia przeprowadzane były z najwyższą precyzją. Zdezorientowana Armia Czerwona stawiała bezładny opór. Nie miał kto nią pokierować, gdyż najwyższe sowieckie dowództwo, ze Stalinem na czele było kompletnie zaskoczone niemiecką agresją. Stalin do końca wierzył w zapewnienia Hitlera o przyjaźni i lekceważył sygnały o nadciągającym niebezpieczeństwie. Do ostatniej chwili radzieckie pociągi wiozły do Niemiec żywność, amunicje i inne surowce. Informacje wywiadu o przerzucaniu mas wojska z Europy Zachodniej traktowano jako propagandę mającą na celu popsucie przyjaźni niemiecko-radzieckiej. Czystka przeprowadzona przez Stalina wśród kadry oficerskiej w latach trzydziestych sprawiła, że masy żołnierskie pozbawione były kompetentnego dowództwa. Pierwsze porażki zdemoralizowały je tak dalece, że żołnierze radzieccy tysiącami szli do niemieckiej niewoli. Wielu historyków twierdzi, że gdyby Hitler inaczej potraktował ludność podbitych terenów i jeńców wojna mogłaby się potoczyć zupełnie inaczej. Jednak brutalne traktowanie spowodowało, że ludzie poderwali się do walki, wybierając śmierć w walce niż poniewieranie w obozach.
Uderzenie niemieckie poprowadzone było mistrzowsko. W pierwszych godzinach walk przestało istnieć radzieckie lotnictwo: 2 000 samolotów zniszczono jeszcze na ziemi. GA "Środek" nacierała wzdłuż drogi Mińsk-Smoleńsk. Grupa Guderiana przekroczyła północny Niemen, a czołgi Hotha na południu Bug. Niemcy okrążyli wielkie masy bezładnie stłoczonych oddziałów sowieckich. Pod Białymstokiem i Wołkowyskiem poszło do niewoli 400 000 żołnierzy. Podobne "kotły" powstały później pod Mohylewem, Smoleńskiem i Witebskiem.
Siła niemieckiego uderzenia słabła w konfrontacji z niezmierzonymi połaciami Rosji. Rwała się łączność, pojawiły się trudności z zaopatrzeniem. Narzucona przez Hitlera koncepcja zdobycia Moskwy zaważyła na przebiegu działań na innych, nie mniej ważnych strategicznie frontach.
W chwili wybuchu wojny dowódcą sił sowieckich był generał Kirponos, który na południu musiał stawić czoło armii generała Rundstedta. Armia Kirponosa była jedyną sowiecką armią, która mogła stawiać opór Niemcom. Udało się jej zatrzymać Wehrmacht pomiędzy bagnami nad Prypecią a Karpatami. Jednak Kirponos stracił swoje zmechanizowane korpusy, które nie dorównywały czołgom generała Kleista. Wezwane na pomoc rezerwowe korpusy zmechanizowane, posiadające na wyposażeniu czołgi T-34, były wycieńczone marszem, a ponadto niedoświadczone, niezdolne do prowadzenia walki w dużych grupach. Rosjanom, którzy stracili wielu żołnierzy, udało się jednak zadać ciężkie straty Niemcom. 10 lipca marszałek Budionny został naczelnym dowódcą wszystkich oddziałów na froncie południowo-wschodnim. Dysponował 1,5-milionową armią w dwóch zgrupowaniach w Humaniu i w Kijowie. 15 i 16 lipca Kleist zdobył Berdyczów i Koziatyń, wbijając się klinem pomiędzy dwie armie. W tej sytuacji rozsądnym posunięciem byłoby wycofanie się w kierunku Dniepru, aby uniknąć okrążenia. Budionny kontynuował jednak wysyłanie oddziałów i wyposażenia do Humania. 18 lipca Kleist zdobył Białą Cerkiew i przechwycił wiadomość o przygotowywanym kontrataku. 20 lipca Rosjanie uderzyli, ale atak ten został szybko odparty przez Niemców. Wojska niemieckie posuwały się naprzód. 25 lipca opanowały Nowoukrainkę i Kirowgrad. Wojska w Humaniu przeprowadziły kontratak. W rezultacie żołnierze generała Schoberta zostali odcięci, ale i tak Niemcom udało się zamknąć okrążenie. Do 8 sierpnia Rosjanie zostali otoczeni, a 22 sierpnia zdławiono stawiany przez nich opór. Kolejnym celem Niemców stał się Kijów. Marsz Guderiana na południe zaskoczył Rosjan. 12 września Kleist przedarł się przez sowiecką 38. Armię, a dywizja pancerna Modela połączyła się z Guderianem około 200 km na wschód od Kijowa. 16 września okrążenie zostało zamknięte, a Stalin nie zgodził się na odwrót swych wojsk. Po pięciu dniach walk około 665 000 żołnierzy poddało się (wg danych niemieckich). Było to największe zwycięstwo Niemców, jednak rozproszenie sił przesądziło o tym, że wojska III Rzeszy dotarły pod Moskwę w środku zimy, a nie dwa miesiące wcześniej. Po zdobyciu Kijowa Niemcy, podobnie jak Rosjanie, czekali na posiłki. Po przełamaniu przez 4. Armię Pancerną Linii Stalina, Armia Czerwona mogła zająć pozycje tylko na rzece Ługa przy końcu jeziora Ilmen. Było to jedyne miejsce, skąd Rosjanie mogli próbować zatrzymać niemieckie natarcie na Leningrad. Niemcy zaatakowali te pozycję 8 sierpnia 1941 i napotkali stosunkowo mały opór. Rosjanie nie posiadali czołgów i artylerii dalekiego zasięgu. Aby nie dopuścić do całkowitej klęski, a także zyskać czas dla obrońców Leningradu na budowę okopów ochronnych, Rosjanie przypuścili kontratak. W 2 tygodnie wojska niemieckie zepchnęły ich do tyłu. Naczelne dowództwo niemieckie stanęło przed podjęciem decyzji: czy zdobyć miasto szturmem, czy przeprowadzić jego oblężenie. Wybrano drugą możliwość, zakładając, że dywizje pancerne mogłyby wtedy zostać przesunięte na front centralny. Rozwiązanie to pozwoliło również rozwiązać problem ludności cywilnej, z którą Niemcy nie wiedzieliby co zrobić w przypadku zdobycia miasta. 1 września 1941 Niemcy rozpoczęli bombardowania Leningradu. W tym samym czasie próbowano wbrew założeniom zdobyć miasto szturmem. Początkowo wydawało się, że Niemcy osiągną swój cel, lecz Rosjanie powstrzymali ofensywę. Miasto jednak pozostało otoczone przez Niemców. W listopadzie 1941 sytuacja w Leningradzie uległa pogorszeniu. Liczba ofiar po stronie niemieckiej sięgnęła 11 000. 9 listopada Rosjanie odbili Tichvin. Oblężenie jednak trwało do 1944. Po drodze Niemcy znowu próbowali zdobyć miasto. Najbardziej ambitną próbą byłoby zrzucenie latem 1943 na spadochronach 2 Dywizji Spadochronowych, jednak klęska pod Kurskiem nie pozwoliła na zrealizowanie tego planu. W sierpniu 1942 roku Rosjanie próbowali przełamać oblężenie, usiłując odzyskać zajęty przez Niemców korytarz pomiędzy Tosno a jeziorem Ładoga. Walki trwały aż do września, ale nie przyniosły oczekiwanych efektów. W styczniu 1943 Rosjanie zaatakowali ponownie; tym razem odzyskali Schlüsselburg, dzięki czemu dostawy mogły docierać do Leningradu. W styczniu 1944 Rosjanie przeprowadzili w pełni skoordynowany atak wszystkich frontów na północy i 19 stycznia 1944 Leningrad został wyzwolony. Oblężenie trwające 890 dni dobiegło końca. Od niemieckich bomb i pocisków zginęło około 200 000 cywilów, a co najmniej 63 000 zmarło z głodu.
24 grudnia 1943 1. Front Ukraiński generała Watutina rozpoczął najważniejszą sowiecką zimową ofensywę i odbił Żytomierz i Korosteń. 3 stycznia 1944 sowieckie siły zmechanizowane opanowały węzeł kolejowy Nowogród Wołyński, położony około 80 km od Korostenia, i następnego dnia, pomimo zamieci i złego stanu dróg, wkroczyły na terytorium Polski. Lewe skrzydło Watutina połączyło się z prawym skrzydłem 2. Frontu Ukraińskiego generała Koniewa, okrążając niemiecką 10. Dywizję w kotle korsuńsko-szewczenkowskim. Koniew sądząc, że w pułapce znalazła się większa część niemieckiej armii, rozlokował czołgi na strategicznych pozycjach. Generał Manstein wysłał wprawdzie czołgi na ratunek uwięzionym wojskom, ale nie zdołały one ich uwolnić. Odcięte dywizje musiały liczyć tylko na siebie, chociaż nie posiadały artylerii skutecznej przeciwko rosyjskim T-34. Operacja kosztowała Mansteina prawdopodobnie 20 000 ludzkich istnień; wielu żołnierzy zostało rannych i zużyto wszystkie rezerwy. 5 lutego Watutin zdobył Równe i skierował się na południe z zamiarem rozcięcia sił Mansteina. Pozycja generała Kleista na południu była lepsza. Generał Tołbuchin (4. Front Ukraiński) zdobył 8 lutego Nikopol na wschodnim zakolu Dniepru, a następnie skierował się na południe w celu odbicia Krymu. 22 lutego generał Malinowski (3. Front Ukraiński) natarł na Krzywy Róg. Na początku marca partyzanci ciężko ranili Watutina. Dowództwo nad I. Frontem Ukraińskim objął marszałek Żukow. Dysponował lepszym transportem, gdyż miał na wyposażeniu amerykańskie wozy bojowe. Nie zważając na błota, rozpoczął wiosenną ofensywę z Szepietowki. 7 marca jego wojska dotarły do Tarnopola i oskrzydliły linię rzeki Boh. Koniew uderzył z okolic Umania i dotarł do Bohu 12 marca. Przekroczył rzekę i z pomocą czołgów generała Rotmistrowa zdobył niemiecki przyczółek nad Dniestrem w Mohylewie. Żukow udzielił mu poparcia i przesuwając się na południe od Tarnopola, połączył się pod koniec marca z wojskami Koniewa w miejscowości Jassy nad rzeką Prut. Manewry te rozdzieliły jednostki 4. Armii Pancernej od 1. Armii. Tymczasem na południu Malinowski przekroczył ujście Dniepru i Bohu, zdobywając 13 marca Chersoń, a 28 marca Nikołajew. Wydarzenia te w połączeniu z zagrożeniem Krymu sprawiły, że Hitler zdymisjonował Mansteina. Jego stanowisko objął feldmarszałek Model. W sytuacji zagrożenia Bałkanów Model zajął Węgry. Następnym jego posunięciem było wszczęcie kontrofensywy wzdłuż Dniepru i ponowne zdobycie węzła kolejowego Delatyń. Front ten utrzymywał się od kwietnia do lipca na wschód od Lwowa. Koniew, ponieważ został zablokowany wzdłuż granicy rumuńskiej, udał się na południe i wspólnie z Malinowskim zagroził Odessie. W tej sytuacji Kleist rozpoczął odwrót w kierunku miasta, ale 5 kwietnia Malinowski przeciął mu drogę. Mimo to Niemcy zdołali uciec, a miasto padło 10 kwietnia. W rezultacie Hitler zdymisjonował Kleista i mianował Schörnera dowódcą GA „Południowa Ukraina". Na tym etapie zatrzymana została również ofensywa sowiecka. Wojska czekały na dostawy i odpoczywały. Na początku maja Koniew przeprowadził ostry atak na zachód od Jass. Nie odniósł jednak większych sukcesów, gdyż Schörner miał duże rezerwy sil pancernych, dowodzone przez generała Manteuffla. W bitwie, która się wywiązała, atak Rosjan został odparty. Działania na tym froncie zawieszono na cztery miesiące. Długa bitwa o Ukrainę została rozstrzygnięta na północy w bitwie Brody-Lwów (lipiec), a na północy w bitwie Jassy-Kiszyniów (sierpień).
W październiku 1944 dowodzony przez generała Pietrowa Front Ukraiński rozpoczął wkraczając od wschodniej strony, wyzwalanie Czechosłowacji. 2. Front Ukraiński marszałka Malinowskiego, który wcześniej opanował Węgry, przyłączył się do natarcia w Czechosłowacji. Niemcy nie stawiali zbyt dużego oporu i do maja 1945 Armia Czerwona opanowała większą część Moraw. 6 maja czescy partyzanci zainscenizowali powstanie w Pradze i zniszczyli niemiecką łączność. Jedyną niemiecką armią stacjonującą w tej części Europy była GA „Środek" feldmarszałka Schörnera, ale jej stan był beznadziejny. 8 maja Rosjanie rozpoczęli ofensywę. 1. Front Ukraiński dowodzony przez generała Koniewa zaatakował z Saksonii, a 2., 3. i 4. Front Ukraiński- z południa i wschodu. 3. Armia Stanów Zjednoczonych Ameryki dowodzona przez generała Pattona również prowadziła natarcie w Czechosłowacji. Była to ostatnia ofensywa militarna w czasie wojny w Europie.