巴巴羅薩計劃實施經過：德軍佔領蘇聯大片領土
軸心國選在1941年6月22日的早上3:45分展開攻勢。要計算雙方在這個階段的特定地區部隊分佈相當困難，因為大多數德軍的名單都包括許多還未參戰的後備軍人，同樣的兩方在力量上的對比也很難有效計算。合理的計算是約有260萬德軍在6月22日進入作戰狀態，而他們所面對的蘇聯軍區也有差不多數量的紅軍軍隊。德軍的突襲收到完全的效果：雖然蘇聯指揮部在收到德軍部隊逼近的報告後即在凌晨00：30分對邊界部隊發出警告，但當時卻沒有任何一個部隊展開備戰。據稱斯大林對德軍侵略的新聞表示嚇呆了，並且直到一兩個禮拜後的7月3日才正式對全國發表聲明。
突襲帶給蘇聯紅軍的最大震撼並非是突襲的時間，而是同時進攻蘇聯領土的德軍數量之多和配合之緊密。約有320萬的德軍地面部隊投入了西線的攻勢，伴隨的還有數十萬的羅馬尼亞、匈牙利、斯洛伐克和意大利部隊，芬蘭則從北邊發動攻勢。但蘇聯紅軍在同時對抗這些敵軍的同時也持續進行大規模的增援，西線的蘇聯紅軍部隊在1941年6月22日時約有260萬人，儘管半年的戰事造成450萬人死傷的驚人數字，至年底時已經躍升為超過4百萬人(蘇聯國內部隊和儲備軍並沒有計算在內)了。德國空軍聲稱在侵略開始的第一天就摧毀了1，489架紅軍戰機，而自身則只損失了35架。事實上蘇聯空軍在剛開始幾天的損失比德軍估計的還要慘重，總共有3，922架飛機在頭三天被摧毀
德軍的攻擊速度之快使得蘇聯紅軍的防禦計劃完全癱瘓，而無線電和通訊配備的嚴重缺乏也造成蘇聯紅軍部隊難以互相協調作戰。
德軍的攻勢也引燃了許多蘇聯佔領國的獨立運動，1941年6月22日立陶宛發生了反蘇聯的暴動，並在隔天發佈了獨立的宣言。大約有30，000名立陶宛人加入叛變行列。隨著德軍向北方的攻勢進展，叛變也蔓延至愛沙尼亞了。
雖然攻勢前半年進展的相當順利，但最後德國仍然沒有奪下最終的目標—莫斯科。許多人認為德國犯下最大的錯誤便是延緩了發起攻擊的時間。原本計劃的攻擊發起日是5月15日，然而在4月時墨索里尼對於阿爾巴尼亞的侵略受阻，希特勒遂決定調派德軍加以援助，儘管德軍很輕易的便攻克了南斯拉夫和希臘，但這起意外的小插曲卻使得攻擊計劃延緩至6月22日進行，這5周的延期更減短了原本已經相當短暫的俄國夏季。不過延期也有其他的原因，1941年俄羅斯的晚春加上6月的漫長雨季，使得許多蘇聯西部的道路陷入癱瘓，或者無法讓重型的車輛通過。在整場戰役中，希特勒將原本進攻莫斯科的主力裝甲部隊改調往南方參與攻佔烏克蘭的基輔戰役，這次戰役以德軍的空前勝利告終，俘虜了超過650，000名的蘇聯紅軍，但這項舉動也進一步延緩了德軍進攻莫斯科的時間。當德軍開始進攻莫斯科時，秋季大雨造成的泥沼、以及冬季的酷寒、再加上紅軍的頑強抵抗，最終停頓了德軍的攻勢。
同時，蘇聯的反抗力量也出乎德國的意料之外。在白俄羅斯布勒斯特的一座堡壘便說明了蘇聯紅軍的頑強抵抗精神：在德軍第一天的攻勢中，原本預期只要幾個小時的突襲便能奪下這座堡壘，但最後直到七月底才拿下(蘇聯的宣傳宣稱它支撐了六個禮拜)。德軍的後勤成了主要的問題之一，隨著戰事的進展德軍的補給線也不斷拉長，也更容易遭受蘇聯游擊隊的襲擊。蘇聯採用焦土政策摧毀所有即將撤離的土地，使德國無法運用其食物、燃料、和建築。
儘管遭遇這些挫折，德軍仍然繼續推進，在半年的戰事中德軍展現了輝煌的戰爭藝術，多次以包圍戰術殲滅動輒數十萬的大批蘇聯紅軍、或逼迫他們投降。基輔戰役尤其血腥，南方集團軍在11月中旬奪取了基輔，俘虜了超過650，000名蘇聯紅軍。
北方集團軍在攻克波羅的海國家後繼續朝列寧格勒推進，在1941年8月進攻至列寧格勒的南方市郊，但隨之面臨蘇聯的頑強抵抗而不得不停止。由於擔心直接攻城會造成大量傷亡，德軍指揮官決定以圍堵方式來摧毀抵抗力量。儘管遭遇德軍的滲透威脅、無情的轟炸和炮擊、以及嚴重的食物和燃料短缺，最後紅軍仍堅守住列寧格勒，直到圍城的德軍在1944年初被擊退為止。列寧格勒圍成導致了近百萬的居民死傷。
蘇聯軍隊在1941年遭受嚴重挫敗的主要原因在於德軍的成功突襲以及蘇聯紅軍內部的問題。1941年的德軍在當時可以說是世界上訓練最為精良而又最富經驗的部隊，德軍擁有機動性和殲滅戰的先進戰術理論、近乎完美的通訊技術、以及不斷勝利所帶來的自信。相較之下，蘇聯部隊則嚴重缺乏領導人、訓練、和準備，蘇聯假設在1942年前不會有戰爭發生，因此當德國入侵時蘇聯紅軍正處於結構重組的階段，武器也都處於測試的階段。同時，大量的蘇聯部隊都集中於德蘇邊界(佔領的波蘭領土)，卻缺少適當的防衛，導致這些部隊在開戰後幾周內便被徹底殲滅。許多蘇聯部隊也被高層下達的不侵犯、不主動挑釁原則嚴重限制，在開戰後又被命令「原地還擊之後反擊」(使他們在面臨德軍包圍戰時非常脆弱)，同時部隊普遍缺乏具有經驗的軍官，遲鈍腐敗的官僚作風也相當常見。蘇聯紅軍領導能力的無能，早在先前對於芬蘭的侵略中就已經展現出來。
蘇聯在開戰後數周所採取的戰術導致災難性的結果。剛開始時紅軍完全高估了自身的作戰能力，機械化軍團不但沒能擊敗德軍的裝甲師，還遭受德國空軍的俯衝轟炸機密集攻擊而損失慘重。蘇聯坦克的保養貧乏再加上坦克兵的經驗不足，導致驚人的故障比率出現，同時備用零件和負責後勤支援的卡車也非常缺乏。而步兵部隊放棄掘壕的戰術也導致災難性結果，在機動性低落又沒有坦克支援的情況下，蘇聯步兵部隊根本無法在戰場上靈活調度。
儘管德國最終無法達成巴巴羅薩作戰的目標，但蘇聯遭受的龐大損失使得蘇聯的宣傳機器開始調整宣傳內容。在戰前蘇聯政府一貫的宣傳紅軍的強大無敵，但到了秋天宣傳基調已經改變為「紅軍變虛弱了、準備戰爭的時間不足、德國的攻擊太過突然」等等。
另一個解釋是由蘇聯歷史學家威克特·蘇沃羅夫提出的，他認為蘇聯在最初遭遇挫敗的原因不是防衛準備不足，而是正好相反—因為斯大林正準備主動進攻德國，而整場巴巴羅薩作戰只是德軍先發制人的反擊罷了。他舉出當時紅軍的士兵沒有配備防守地區的地圖，相反的卻配備了德國佔領地區的地圖。蘇沃羅夫的主張具有相當爭議性，許多西方歷史學家也批評他並沒有提出任何事實根據來證明這個理論。