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轴心国选在1941年6月22日的早上3:45分（一说3;00，另一说4:30）展开攻势。要计算双方在这个阶段的特定地区部队分布相当困难，因为大多数德军的名单都包括许多还未参战的后备军人，同样的两方在力量上的对比也很难有效计算。合理的计算是约有260万德军在6月22日进入作战状态，而他们所面对的苏联军区也有差不多数量的红军军队。德军的突袭收到完全的效果：虽然苏联指挥部在收到德军部队逼近的报告后即在凌晨00:30分对边界部队发出警告，但当时却没有任何一个部队展开备战。据称斯大林对德军侵略的新闻表示吓呆了，并且直到一两个礼拜后的7月3日才正式对全国发表声明。
突袭带给苏联红军的最大震撼并非是突袭的时间，而是同时进攻苏联领土的德军数量之多和配合之紧密。约有320万的德军地面部队投入了东线的攻势，伴随的还有36万罗马尼亚军队、4万4000多人的匈牙利军队、47万芬兰军队，和60900意大利部队，芬兰则从北边发动攻势。但苏联红军在同时对抗这些敌军的同时也持续进行大规模的增援，西线的苏联红军部队在1941年6月22日时约有290万人（其中陆军243万人），尽管半年的战事造成90万人死伤的惊人数字，至年底时已经跃升为超过4百万人（苏联国内部队和储备军并没有计算在内）了。德国空军声称在侵略开始的第一天就摧毁了1,489架红军战机，而自身则只损失了35架。事实上苏联空军在刚开始几天的损失比德军估计的还要惨重，总共有3,922架飞机在头三天被摧毁。
德军的攻击速度之快使得苏联红军的防御计划完全瘫痪，而无线电和通讯配备的严重缺乏也造成苏联红军部队难以互相协调作战。
德军的攻势也引燃了许多苏联占领国的独立运动，1941年6月22日立陶宛发生了反苏联的暴动，并在隔天发布了独立的宣言。大约有30，000名立陶宛人加入叛变行列。随着德军向北方的攻势进展，叛变也蔓延至爱沙尼亚了。
虽然攻势前半年进展的相当顺利，但最后德国仍然没有夺下最终的目标—莫斯科。许多人认为德国犯下最大的错误便是延缓了发起攻击的时间。原本计划的攻击发起日是5月15日，然而在4月时墨索里尼对于阿尔巴尼亚的侵略受阻，希特勒遂决定调派德军加以援助，尽管德军很轻易的便攻克了南斯拉夫和希腊，但这起意外的小插曲却使得攻击计划延缓至6月22日进行，这5周的延期更减短了原本已经相当短暂的俄国夏季。不过延期也有其他的原因，1941年俄罗斯的晚春加上6月的漫长雨季，使得许多苏联西部的道路陷入瘫痪，或者无法让重型车辆通过。在整场战役中，希特勒将原本进攻莫斯科的主力装甲部队改调往南方参与攻占乌克兰的基辅战役，这次战役以德军的空前胜利告终，俘虏了超过650，000名的苏联红军，但这项举动也进一步延缓了德军进攻莫斯科的时间。当德军开始进攻莫斯科时，秋季大雨造成的泥沼、以及冬季的酷寒、再加上红军的顽强抵抗，最终停顿了德军的攻势。
同时，苏联的反抗力量也出乎德国的意料之外。在白俄罗斯布勒斯特的一座堡垒便说明了苏联红军的顽强抵抗精神：在德军第一天的攻势中，原本预期只要几个小时的突袭便能夺下这座堡垒，但最后直到七月底才拿下（苏联的宣传宣称它支撑了六个礼拜）。德军的后勤成了主要的问题之一，随着战事的进展德军的补给线也不断拉长，也更容易遭受苏联游击队的袭击。苏联采用焦土政策摧毁所有即将撤离的土地，使德国无法运用其食物、燃料、和建筑。
尽管遭遇这些挫折，德军仍然继续推进，在半年的战事中德军展现了辉煌的战争艺术，多次以包围战术歼灭动辄数十万的大批苏联红军、或逼迫他们投降。基辅战役尤其血腥，南方集团军在11月中旬夺取了基辅，俘虏了超过650,000名苏联红军。
北方集团军在攻克波罗的海国家后继续朝列宁格勒推进，在1941年8月进攻至列宁格勒的南方市郊，但随之面临苏联的顽强抵抗而不得不停止。由于担心直接攻城会造成大量伤亡，德军指挥官决定以围堵方式来摧毁抵抗力量。尽管遭遇德军的渗透威胁、无情的轰炸和炮击、以及严重的食物和燃料短缺，最后红军仍坚守住列宁格勒，直到围城的德军在1944年初被击退为止。列宁格勒围城导致了近百万的居民死伤。
苏联军队在1941年遭受严重挫败的主要原因在于德军的成功突袭以及苏联红军内部的问题。
1941年的德军在当时可以说是世界上训练精良而又富经验的部队，德军拥有机动性和歼灭战的先进战术理论、近乎完美的通讯技术、以及不断胜利所带来的自信。相较之下，苏联部队则严重缺乏领导人、训练、和准备，苏联假设在1942年前不会有战争发生，因此当德国入侵时苏联红军正处于结构重组的阶段，武器也都处于测试的阶段。同时，大量的苏联部队都集中于德苏边界（占领的波兰领土），却缺少适当的防卫，导致这些部队在开战后几周内便被彻底歼灭。许多苏联部队也被高层下达的不侵犯、不主动挑衅原则严重限制，在开战后又被命令“原地还击之后反击”（使他们在面临德军包围战时非常脆弱），同时部队普遍缺乏具有经验的军官，迟钝腐败的官僚作风也相当常见。苏联红军领导能力的无能，早在先前对于芬兰的侵略中就已经展现出来。
苏联在开战后数周所采取的战术导致灾难性的结果。刚开始时红军完全高估了自身的作战能力，机械化军团不但没能击败德军的装甲师，还遭受德国空军的俯冲轰炸机密集攻击而损失惨重。苏联坦克的保养贫乏再加上坦克兵的经验不足，导致惊人的故障比率出现，同时备用零件和负责后勤支援的卡车也非常缺乏。而步兵部队放弃掘壕的战术也导致灾难性结果，在机动性低落又没有坦克支援的情况下，苏联步兵部队根本无法在战场上灵活调度。
尽管德国最终无法达成巴巴罗萨作战的目标，但苏联遭受的庞大损失使得苏联的宣传机器开始调整宣传内容。在战前苏联政府一贯的宣传红军的强大无敌，但到了秋天宣传基调已经改变为“红军变虚弱了、准备战争的时间不足、德国的攻击太过突然”等等。
另一个解释是由苏联历史学家威克特·苏沃罗夫提出的，他认为苏联在最初遭遇挫败的原因不是防卫准备不足，而是正好相反—因为斯大林正准备主动进攻德国，而整场巴巴罗萨作战只是德军先发制人的反击罢了。他举出当时红军的士兵没有配备防守地区的地图，相反的却配备了德国占领地区的地图。苏沃罗夫的主张具有相当争议性，许多西方历史学家也批评他并没有提出任何事实根据来证明这个理论。
整场巴巴罗萨作战在11月开始的莫斯科战役中达到最高潮，尽管负责进攻莫斯科的中央集团军饱受秋季泥泞所造成的补给短缺之苦，仍被下令继续进攻；德军的进展在1941年12月初达到极限，前锋部队已经推进至莫斯科市郊，甚至见到了克里姆林宫的螺旋状尖塔。然而这时斯大林手上仍保有数十万从西伯利亚前来支援的部队，这些部队拥有良好的冬季装备和补给，还有大量可以武装成民兵的青年人，很快便将逼近莫斯科的德军全数击退，并在接下来的反击战推回了冬季前的战线。
反观这时的德军则严重缺乏石油、冬季装备、和食物，同时也没有躲避之处，只得在原地驻扎挨过严酷的冬季。德军最后得以挡下苏联的反击行动，但却遭受了非常沉重的损失。
同时，夺下莫斯科也是德国迈向胜利的关键之一。历史学家之间一直存在争论的问题是：如果当初巴巴罗萨作战真的夺下了苏联首都，是否会造成苏联的彻底垮台？
1941年12月美国也向轴心国宣战，在这短短6个月内德国的战略位置便彻底逆转了，因为德国的军事生产能力根本无法应付长期的战争。
巴巴罗萨作战的结果对苏联和德国都同样不利。虽然德国无法成功的拿下莫斯科，但他们在半年时间内便夺下了苏联西部的庞大领土，包括乌克兰、白俄罗斯、波罗的海国家、以及一大片莫斯科西部的土地在内。这相当于500,000平方英里的土地，以及7500万的人民，事实上德国在之后的1.2年内又继续夺取了250,000平方英哩的土地，一直要到斯大林格勒和库尔斯克等战役后才被击退。在这些占领区域里，反抗德国统治的游击队迅速增长，而德国也毫不留情的加以镇压。德国也继续坚守这些土地，在接下来的许多战役里双方又蒙受了更多的损失。
血腥的东线战役持续了整整4年，因为这场战争而死的人数可能永远无法准确计算。苏联军队的总阵亡人数大约为870万，而平民的死亡人数则依然存在争议，经常被举出的数字则高达2,000万人。德军的阵亡人数也很难准确计算，最高的数字（RüdigerOvermans）为430万名德军和900,000名其他轴心国部队，这个数字包括了在作战中阵亡的人数以及遭苏联俘虏期间死去的人数在内。
直到1941年12月便有超过240万的红军人员被德军俘虏，德国对红军俘虏的处置使得到战争结束时总计数百万会死于寒冷、饥饿、疾病等等。斯大林则将德国战俘以及曾经被德国俘虏的苏联士兵都流放至劳动营。少数族群也都被流放至东部的集中营。例子包括了：1941年9月有439,000名居住于窝瓦河的德裔人民（以及300,000名来自其他各地区的德裔人民）被集体驱逐至哈萨克；在1944年5月，182，000名克里米亚鞑靼人被驱逐至乌兹别克斯坦；车臣人（393,000）和印古什人（91,000）也在1944年被彻底驱逐至哈萨克。
