14 июня 1941 г. было опубликовано заявление ТАСС о беспочвенности слухов об агрессивных намерениях Германии в отношении СССР. Но 22 июня в 3 часа 15 минут раздались первые залпы артиллерийской канонады на советской западной границе. Немецкие бомбардировщики вторглись в воздушное пространство и нанесли удары по военным аэродромам, а затем начали бомбардировки городов (Минск, Киев). В 12 часов состоялось радиообращение председателя СНК В.М. Молотова к советскому народу, в котором было объявлено о начале Отечественной войны против захватчиков. Сразу же началась мобилизация.
23 июня для руководства боевыми действиями была создана Ставка Главного командования во главе с наркомом обороны маршалом С.К. Тимошенко, но фактическое руководство Ставкой, не собиравшейся в полном составе ни разу, находилось в руках Сталина. Высшим чрезвычайным органом управления страной стал образованный 30 июня 1941 г. и просуществовавший до 5 сентября 1945 г. Государственный Комитет Обороны (ГКО) во главе со Сталиным. ГКО подчинялись Ставка, Генеральный штаб и Центральный штаб партизанского движения, созданный 30 мая 1942 г. За годы войны ГКО принял более 10 тыс. документов, регламентировавших экономическую и политическую жизнь страны.
Неожиданность нападения усугублялась стратегическим просчётом в определении главного удара войск вермахта на юго-западном направлении, а не на центральном, как это было в действительности. В результате 11 дивизий Западного фронта были окружены между Белостоком и Минском. Но с 10 июля в ходе Смоленского сражения советские войска сдерживали группу армий "Центр", вынудив её с 30 июля перейти к обороне.
Группе армий "Юг" противостояли войска Юго-Восточного и Южного фронтов, но на этом направлении немецкие танковые части под командованием генерала Гудериана прорвали фронт севернее Киева. Из-за запрета Сталина сдать город (его всё равно пришлось оставить 19 сентября) около 500 тыс. человек попало в окружение.
Группа армий "Север" в августе 1941 г. перешла к форсированному наступлению на Ленинград, и 8 сентября после взятия Шлиссельбурга город был блокирован. Массовая эвакуация из города не проводилась, кроме того, в нём сосредоточилось большое количество беженцев с западных территорий, которые и стали первыми жертвами голода. Г.К. Жуков, сменивший 12 сентября К.Е. Ворошилова на посту командующего Ленинградским фронтом, стабилизировал фронт, но уже в начале октября был отозван в Москву.
Таким образом, благодаря героическому сопротивлению Красной Армии, несмотря на все просчёты и ошибки, к сентябрю 1941 г. был сорван немецкий план молниеносной войны. Только за первые пять недель войны вермахт потерял около 200 тыс. человек, свыше 1,5 тыс. танков и 1 тыс. самолётов, что было вдвое больше, чем за два года войны в Европе. Но экономические планы Германии строились в расчёте на Blitzkrieg, поэтому новые условия делали необходимой реорганизацию работы и всей немецкой промышленности.
Битва за Москву (30 сентября 1941 г. - 20 апреля 1942 г.) окончательно продемонстрировала крах молниеносной войны и переход к стратегическому противостоянию двух государств. На первом этапе сражения немцам противостояли войска Западного (командующий - И.С. Конев), Резервного (С.М. Будённый) и Брянского (А.И. Ерёменко) фронтов. 12 октября немцы взяли Калугу, а 14 - Калинин (Тверь). 16 октября Москва стала прифронтовым городом и была объявлена на военном положении. Правительство выехало в Куйбышев (Самару), из столицы эвакуировались важнейшие учреждения и предприятия. Прибывший из-под Ленинграда Г.К. Жуков провёл реорганизацию фронтов. В приостановке немецкого наступления сыграли значительную роль резервы Ставки и части народного ополчения. В середине ноября немецкое наступление возобновилось, но в ходе него враг потерял убитыми и ранеными свыше 155 тыс. человек и около 800 танков. 5 декабря началось успешное контрнаступление советских войск, и 16 декабря уже был освобождён Калинин. Одновременно были предприняты наступления на тихвинском и керченском направлениях, и эти города были освобождены.
Победа под Москвой имела всемирно-историческое значение: впервые части вермахта были не только остановлены, но и вынуждены отступить. Но из итогов кампании 1941 г. Сталин сделал вывод о том, что немецкое командование будет предпринимать активные действия на московском направлении и в дальнейшем. Германские же войска к весне 1942 г. сконцентрировались на юго-восточном направлении: Германии необходимо было захватить Донецкий угольный бассейн и Грозненское и Бакинское месторождения нефти. В связи с этим в апреле-октябре 1942 г. советские войска потерпели ряд тяжких поражений (под Ленинградом в ходе Любаньской операции, в Ржевско-Вяземской операции, при наступлении в Крыму и под Харьковом). 24 июля немцами был взят Ростов-на-Дону. В августе они предприняли стремительный бросок в кавказском направлении через Кубань и достигли Большого Кавказского хребта, знамя со свастикой было водружено на вершине Эльбруса. Но на линии Туапсе - Орджоникидзе (Владикавказ) - Грозный захватчики были остановлены, взять эти пункты им не удалось. К этому времени на оккупированных территориях развернулось партизанское движение, которое приковывало к себе до 10% войск вермахта. Кроме того, 28 июля 1942 г. был издан приказ наркома обороны №227 "Ни шагу назад!", направленный на укрепление воинской дисциплины карательными мерами.
В середине июля 1942 г. началось одно из крупнейших сражений второй мировой войны - Сталинградское (17 июля 1942 г. - 2 февраля 1943 г.). Это сражение выявило военный паритет сторон, а по мере ведения боевых действий в результате перестройки работы советской экономики и превосходство СССР. Битва началась в излучине Дона, а в сентябре театром военных действий стали улицы и дома Сталинграда (Волгограда). 15 октября немцы вышли к Волге с юга в районе тракторного завода, но в ноябре 6-ой армии под командованием генерала Паулюса уже пришлось перейти к обороне. 19 ноября 1942 г. началось контрнаступление войск Юго-Западного и Донского фронтов севернее Сталинграда. Советские войска окружили 330-тысячную группировку противника, и в январе 1943 г. войска Донского фронта приступили к реализации операции "Кольцо": ликвидации блокированной группировки. 2 февраля остатки армии Паулюса, получившего от Гитлера за время окружения звание фельдмаршала, сдались в плен. В общей сложности войска Германии и её союзников за время Сталинградской битвы потеряли 800 тыс. человек.
Успех в Сталинграде перерос в наступление по всему фронту. В январе 1943 г. южнее Ладожского озера был образован коридор шириной 8 км, соединивший Ленинград с Большой землёй. Был освобождён Северный Кавказ, а на центральном участке фронта - Ржев.
Результаты Сталинградского сражения и зимнего наступления были закреплены в ходе Курской битвы (5 июля - 23 августа 1943 г.), победа в которой знаменовала окончательный переход стратегической инициативы в руки Советской Армии. В результате военных операций 5 августа 1943 г. были освобождены города Орёл и Белгород, по поводу чего впервые в истории войны в Москве состоялся праздничный салют. 23 августа был освобождён Харьков. После этого советские войска перешли в наступление по всему фронту. 6 ноября был освобождён Киев.
Важнейшим событием начала 1944 г. было окончательное снятие блокады Ленинграда 27 января (за период блокады от голода, бомбардировок и артиллерийских обстрелов погибло свыше миллиона мирных жителей). Весеннее наступление на Юго-Западном фронте в конце марта 1944 г. привело к выходу советских войск на границу с Румынией. В мае был освобождён Крым. В ходе операции "Багратион" (23 июня - 29 августа 1944 г.) от захватчиков была очищена Белоруссия (в этой республике погибло 25% населения), и Советская Армия вступила на территорию Польши (той её части, которая была оккупирована Германией в сентябре 1939 г.).