自戰役發起之後，德軍北方戰線由威廉•裡特爾•馮•勒布元帥指揮的北方集團軍羣負責進攻。兩個星期內俄軍敗退450公里，放棄整個波羅的海沿海地區，俄軍24個師被徹底擊潰，20個師損失60%的人員和裝備，德軍北方集團軍羣很快進抵聖彼得堡城下。波羅的海地區的百姓由於早就對俄國的統治有強烈不滿，因此在德軍入侵之時發起了針對俄國政權的暴動行爲，進一步促使了俄軍的敗退。
中部戰線是德軍突擊的重點地區，德軍費多爾•馮•博克元帥指揮的中央集團軍羣從格羅德諾和佈列斯特要塞方向進攻，通過一個雙鉗攻勢完成了對俄軍西部軍區的合圍，白俄羅斯首府明斯克淪陷，俄軍敗退350公里，30個師被殲滅，70個師損失50%以上的人員。隨後，德中央集團軍羣又在斯摩棱斯克地區展開了第二個鉗形攻勢，至此，斯摩棱斯克戰役爆發。
斯摩棱斯克建在第聶伯河兩岸，城分南北，以橋樑連接。是一個個重要軍事城塞，也是通往莫斯科的門戶。該戰役是德國中央集團軍屬下的由海因茨•古德里安指揮的德國第2裝甲軍團及由赫爾曼•霍特指揮的德國第3裝甲軍團，對俄軍的一場大型包圍戰。
德國軍隊繼明斯克戰役之後，企圖以中央集團軍羣（司令爲F.von博克元帥）圍殲蘇聯紅軍斯摩棱斯克集團，奪取西德維納河與第聶伯河之間地帶，打開通向莫斯科的門戶。其參戰兵力爲60個師又1個旅及1個航空隊。俄軍則是組織西方面軍、預備隊方面軍、中央方面軍、布良斯克方面軍，以及緊急動員起來的民兵部隊，還有從戰場上收攏來的殘兵敗將，組成狙擊部隊固守斯摩棱斯克地域，希望能阻止德國軍隊向莫斯科突進。
由於德國軍隊在邊境交戰進展順利，已經焦頭爛額的俄軍統帥部不得不動員所有能拿起槍的男子參加戰鬥。並試圖在沿西德維納河和第聶伯河中游從克拉斯拉瓦到洛耶夫展開，目的是固守這一地區，不讓德國軍隊突向莫斯科。
俄軍統帥部現在猶如熱鍋上的螞蟻，四處收攏能找到的部隊並緊急送往前線。但是在戰役爆發之前，有24個師佔領了陣地，而且他們未來得及建立穩定的縱深防禦。
7月8日，德國軍隊統帥部給“中央”集團軍羣司令爲博克元帥規定了任務：合圍防守西德維納河和第聶伯河地區的俄軍，攻佔奧爾沙、斯摩棱斯克、維捷布斯克地域，爲自己開闢一條通往莫斯科的捷徑。
7月10日前，德軍只有“中央”集團軍羣的快速軍隊—坦克第2集羣（司令爲古德里安上將）、第3集羣（司令爲霍特上將）各師和第9集團軍（司令爲施特勞斯上將）、第2集團軍（司令爲魏克斯上將）各先遣兵團進抵第聶伯河和西德維納
河。這兩個集團軍的基本兵力爲30餘個師，因爲被明斯克戰役所遲滯，落後於快速軍隊120—150公里。
但是在向斯摩棱斯克方向的進攻開始前，德國軍隊的人員，炮兵和作戰飛機比俄軍西方多2倍，坦克多4倍。
7月10—7月20日，德國軍隊在俄軍西方面軍右翼和中央突破防禦。德國軍隊快速兵團推進約200公里，合圍了莫吉廖夫，並奪取了奧爾沙、斯摩棱斯克、葉利尼亞、克里切夫。俄軍第19、第16、第20集團軍在斯摩棱斯克地域陷入德國軍隊戰役合圍。第13集團軍一部兵力突過了索日河，其餘兵力擊退德國軍隊的多次坦克衝擊後，守住了莫吉廖夫。
在這幾天，俄軍第21集團軍在西方面軍左翼向博布魯伊斯克方向實施進攻，奪回了羅加喬夫市和日洛賓市，並將德國軍隊第2集團軍主力長時間牽制於第聶伯河和別列津納河之間地帶。
7月21日—8月7日，俄軍統帥部企圖使用後備方面軍在西方向組織反攻。爲此目的建立的第29，第30、第28、第24集團軍的4個戰役集羣和羅科索夫斯基將軍指揮的戰役集羣，從別雷、亞爾採沃、羅斯拉夫利地域向斯摩棱斯克實施向心突擊，任務是與第16、第20集團軍協同，粉碎斯摩棱斯克以北及其以南的德國軍隊集團。
俄軍騎兵集羣（3個騎兵師）在第21集團軍地帶內對德國軍隊後方進行了奇襲。在戰鬥行動過程中，形成了兩個主要鬥爭基點：一個在斯摩棱斯克、葉利尼亞地域，另一個在索日河以及第聶伯河和別列津納河之間地帶。有鑑於此，由西方面軍左翼各集團軍（第13、第21集團軍）和由預備隊開來的第3集團軍於7月24日組建了中央方面軍（司令爲庫茲涅佐夫上將）。
俄軍雖然在反攻過程中未能粉碎德國軍隊斯摩棱斯克集團和取得顯著戰果，但卻打破了“中央”集團軍羣對莫斯科的進攻企圖，支援第20、第16集團軍突破了合圍圈，並將主力撤過第聶伯河。
7月30日，德國軍隊被迫在西方向轉入防禦。德國軍隊統帥部決定消除俄軍對“中央”集團軍羣兩翼造成的威脅之後，再進攻莫斯科。從7月10日—8月5日，德國軍隊共俘俄軍31萬人，繳獲坦克1000多輛和數量大致相同的火炮。
8月8—21日，戰鬥行動的中心向南轉移。8月8日，德國軍隊第2集團軍和坦克第2集羣將正面轉而向南，對俄軍中央方面軍轉入進攻。俄軍被迫向東南和南方向退卻。至8月21日前，德國軍隊第2集團軍和坦克第2集羣推進120—140公里，進抵戈梅利、斯塔羅杜布一線，並深深楔入俄軍布良斯克方面軍和中央方面軍之間，對俄軍西南方面軍翼側和後方造成了
威脅。此戰，俄軍被俘78000人，德軍繳獲144輛坦克和700門火炮。
8月16日，俄軍西方面軍和預備隊方面軍第24、第43集團軍發起進攻，目的是粉碎德國軍隊杜霍夫希納集團和葉利尼亞集團，但是進攻雖未達到預期目的，不過也讓德國軍隊在葉利尼亞附近的戰鬥中遭重創。
8月22日—9月10日。俄軍統帥部決定以積極的行動挫敗“中央”集團軍羣，打破其向南方向對西南方面軍後方的進攻。然而，布良斯克方面軍以對翼側突擊來阻止德國軍隊推進的企圖未能奏效。在布良斯克方面軍地帶內，俄軍最高統帥部大本營爲同一目的進行了一次有460架飛機參加的空中戰役。俄軍航空兵重創德軍坦克第2集羣，但亦未能打破德國軍隊向南的進攻勢頭，而且俄空軍損失慘重，至此徹底喪失了制空權。
德國軍隊對俄軍第22集團軍實施了有力的坦克突擊，突破了該集團軍防禦，並於8月29日奪取了託羅佩茨。第22集團軍及在其以南防禦的第29集團軍，被迫退向西德維納河東岸。9月1日，西方面軍第30、第19、第16和第20集團軍在斯摩棱斯克附近重新轉入進攻。但進攻未被德軍所粉碎。
9月10日，拼死苦戰的俄軍西方面軍、預備隊方面軍和布良斯克方面軍，傷亡過半彈藥耗盡，不得不上報大本營全軍後撤轉入防禦。
此戰，德國軍隊共俘俄軍官兵約45萬餘人，擊毀和繳獲坦克約3600輛、火炮4800餘門，向東推進約200公里，不僅殲滅大量的俄軍有生力量，讓本就兵力薄弱的俄軍更加雪上加霜，而且還爲進攻莫斯科打開的通道。
由於斯摩棱斯克戰役是在近650公里的正面和近250公里的縱深展開的，德國軍隊作戰部隊異常疲憊，也被迫停止了向莫斯科的推進。這是自開戰以來，德國軍隊還是第一次被迫停止在主要方向上的進攻，而轉入防禦。
在作戰中，德軍由於遭到俄軍頑強抵抗，損失也較大，至7月23日前，“中央”集團軍羣的坦克兵團和摩托化兵團損失人員近50%，步兵兵團損失人員近20%。使德軍統帥部於7月就使用了將近一半的戰略預備隊（24個師中的10個半師），以加強“中央”集團軍羣。
俄軍在斯摩棱斯克戰役中，雖然沒有粉碎德軍的進攻，但卻憑着勇氣在裝備和兵力以及兵員素質皆不佔優的情況下，有效遲滯了德軍的進攻態勢，爲準備莫斯科防禦戰贏得了時間。
而此時德軍卻轉移主要攻擊目標，將“中央”集團軍羣的精銳南下基輔參加基輔戰役，失去了進攻莫斯科的最佳時機。這不僅讓俄軍得到了喘息的機會，也爲大明軍隊的調動部署贏得了極其寶貴的時間。
（本章完）