苏联的地理特点将任何从西面入侵的来犯之敌一分为二，要分别从普里皮亚特沼泽地南北两路进发。北方铁路网通往莫斯科和列宁格勒，与南方铁路网相互隔离，南方铁路网穿越乌克兰，直通苏联富有的农业、工业和武器制造中心。因此德军分为两路，分别为陆军元帅里特尔李布率领的北方集团军群，将进军波罗的海三国，联合波兰人，攻取列宁格勒；以及陆军元帅冯博克率领的中央集团军群，共有50个师，包括九个装甲师和六个摩托化师，将攻克明斯克、斯摩棱斯克，并最终攻取莫斯科。与此同时，陆军元帅伦德施泰特率领的南方集团军群攻占基辅和乌克兰粮仓，然后继续推进以攻占高加索大油田，苏联从这里取得大部分石油为其军工体系提供动力。

虽然德国闪击波兰发生于21个月之前，闪击法国距此时也已有13个月，但红军仍未能将其39个装甲师聚合成独立军团，而是将它们分散于各个步兵师中间，这表明他们尚未从德军新战法当中吸取任何教训。斯大林在1940年6月蚕食波兰东部，进至布格河；等到他占领比萨拉比亚和波罗的海三国，这就意味着在“巴巴罗萨”行动发起时，红军驻扎地点过于靠前，更有利于希特勒在第21号元首指令中所列计划的实施。1941年5月中旬，苏军有170个师驻扎在其1939年的边境之外，这等于说红军总兵力的70%都不在国内。斯大林在此前的八个月中收到了至少80份有关希特勒意图的警告，其中有的来自斯大林自己的间谍，有的来自柏林等，还有一份来自英国大使。然而斯大林仍然坚信德国人仅仅是在增压，认为丘吉尔是个散布假情报的骗子和战争狂人――想要在东方挑起战端，由此让英国避免限于孤立和遭到最终失败的命运。

入侵发起之前一天，内务人民委员会报告了至少39架次的“飞机入侵”――其实都是德军在苏联领空进行的空中侦察。最后苏军最高统帅部发出了警报，但是许多部队受到警告时，都为时已晚。希特勒竟然能够维持“巴巴罗萨”行动的突袭优势实属不同寻常，鉴于其投入大军之众：305万德军部队加上近100万外国特遣队，共计400余万人，沿北起芬兰南至黑海的苏联西部漫长边境集结。20个装甲师共有3350辆坦克，7000门野战炮，3200架飞机，无数车辆以及从法国缴获的未受损伤的军车，德军还有60万匹战马参战。面对希特勒的180个师，红军可以立即调集的军队只有158个师，共有6000架作战飞机和10000余辆坦克。

进攻在1941年6月22日3时15分，黎明之前一小时发起。德意志国防军几乎取得了完全的战术突袭效果，事实上他们飞速穿越了苏联领土。在第一天的早上有大约1200架功军飞机被击毁，实际上，在“巴巴罗萨”行动的第一天，德军击落的苏军飞机数量就已超过在整个不列颠之战中击落的英军飞机。在第一个星期的作战结束时，红军90%的新组建机械化师都被摧毁。从进攻开始时斯大林令人难以置信的反应中，也能看出他丝毫没有料到德军会对苏联发起攻击。政治局于4时30分开会时，斯大林脸色煞白，他无法理解德军竟然对苏开战。他开始对军队发出的命令十分可笑：全线出击，但无特别命令，不得侵犯德国领土。更有理性，实际上至关重要的命令，是在普遍征兵制度下动员起1905－1918年出生的所有男性――加上80万名女性。总计征召了500万人参军，到12月组建了大约200个师――平均每个师兵力为11000人，都做好了迎战准备。50－60岁的苏联公民也组建了民兵师。后来证明这些预备师发挥了决定性的作用。

6月29日星期日早晨，德军入侵已经持续一周，此时斯大林似乎心理已经崩溃。用莫洛托夫的话说，他无法脱衣安睡，只是在莫斯科郊外昆采沃的别墅周围来回踱步，但这种情况并未持续，也许是因为整个国家机器在他离开这段时间内都行动起来，他害怕不经他的许可就做出任何计划。政治局代表们最终前来探视，他却怀疑这些人想要来搜捕他，然而实际上他们是来请他出任新建的国防委员会的领导人。两天之后，他首次向苏联人民发表广播讲话，承诺：“我们狂傲的敌人将很快发现，我们的军队数不胜数。”并以“向胜利前进！”一语结束了讲话。7月10日，斯大林就任最高司令官，此时，德军已在18天内践踏了400英里的苏联领土，苏联损失了4800辆坦克，9480门大炮和1777架飞机。

在北面，德军已于6月26日跨越德维纳河建立了桥头阵地，并于7月14日渡过卢加河。与此同时，中央集团军群于6月29日将装甲钳形攻势合围，在比亚韦斯托克和戈罗季包围圈俘获了29万名红军，并缴获了2500辆坦克和1400门野战炮。几乎和波兰与法国同样迅速，苏联似乎在1941年8月底也行将彻底失败，欧洲领土已超一半、总人口的几乎半数，加上工农业生产的一半都已落入敌人手中。幸运的是，没有人告诉普通苏军士兵说，显然苏联已经失败，普通士兵永远也无法像英美日德总参谋长部那样对事实了如指掌。到7月底，经过了顽强抵抗之后，斯摩棱斯克陷落，又有10万名苏军被俘，2000辆坦克和1900门大炮落入德军之手。德军和莫斯科之间已再无另外的大城市可为首都提供屏障，7月21日德军空袭了莫斯科。