С целью сорвать замыслы противника и не допустить его прорыва к Москве и в центральные промышленные районы страны Советское Верховное Командование с конца июня сосредоточивало войска 2-го стратегического эшелона (22-я, 19-я, 20-я, 16-я и 21-я армии) по среднему течению Западной Двины и Днепра. В начале июня эти войска были включены в состав Западного фронта (командующий – Маршал Советского Союза С.К. Тимошенко).   
   Однако только 37 дивизий из 48 заняли позиции к началу немецкого наступления. 24 дивизии находились в первом эшелоне. Советские войска не смогли создать прочную оборону, а плотность войск была очень низкой – каждой дивизии приходилось оборонять полосу шириной 25–30 км. Войска второго эшелона развертывались на 210–240 км восточнее основного рубежа. Общая численность советских войск на западном направлении во всех эшелонах составляла около 580 тысяч человек.
   К этому времени на Днепр и Западную Двину вышли соединения 4-й танковой армии, а на участок от Идрицы до Дриссы – пехотные дивизии 16-й немецкой армии из группы армий «Север». Свыше 30 пехотных дивизий 9-й и 2-й армий немецкой группы армий «Центр», задержанные боями в Белоруссии, отстали от подвижных войск на 120–150 км. Тем не менее наступление на смоленском направлении противник начал, имея 2–4-кратное превосходство над войсками Западного фронта в живой силе и технике.
   Наступление немецких войск на правом крыле и в центре Западного фронта началось 10 июля 1941 года. Ударная группировка в составе 13 пехотных, 9 танковых и 7 моторизованных дивизий прорвала советскую оборону. Подвижные соединения противника продвинулись до 200 км, окружили Могилев, захватили Оршу, часть Смоленска, Ельню, Кричев. 16-я и 20-я армии Западного фронта оказались в оперативном окружении в районе Смоленска.
   С 21 июля войска Западного фронта, получив подкрепление, предприняли контрнаступление в направлении на Смоленск, а в полосе 21-й армии группа из 3 кавалерийских дивизий совершила рейд во фланг и тыл главных сил группы армий «Центр». Со стороны противника в борьбу вступили подошедшие пехотные дивизии 9-й и 2-й немецких армий. 24 июля 13-я и 21-я армии были объединены в Центральный фронт (командующий – генерал-полковник Ф. И. Кузнецов). Разгромить смоленскую группировку противника не удалось, однако в итоге напряженных боев советские войска сорвали наступление немецких танковых групп, помогли 20-й и 16-й армиям выйти из окружения за реку Днепр и вынудили группу армий «Центр» 30 июля перейти к обороне. Тогда же Советское Верховное Командование объединило все войска резерва и Можайской линии обороны (всего 39 дивизий) в Резервный фронт под командованием генерала армии Г. К. Жукова.
   8 августа немецкие войска возобновили наступление, на этот раз южнее – в полосе Центрального, а затем Брянского фронта (создан 16 августа, командующий – генерал-лейтенант А.И. Еременко), с тем чтобы обезопасить свой фланг от угрозы советских войск с юга. К 21 августа противнику удалось продвинуться на 120–140 км и вклиниться между Центральным и Брянским фронтами. Ввиду угрозы окружения 19 августа Ставка разрешила отвод войск Центрального и действовавших южнее войск Юго-Западного фронтов за Днепр. Армии Центрального фронта были переданы Брянскому фронту. 17 августа перешли в наступление войска Западного фронта и две армии Резервного фронта, которые нанесли духовщинской и ельнинской группировкам противника заметные потери.
   Войска Брянского фронта продолжали отражать наступление 2-й немецкой танковой группы и 2-й немецкой армии. Массированный удар авиации (до 460 самолетов) по 2-й танковой группе противника не смог остановить ее продвижение на юг. На правом крыле Западного фронта противник нанес сильный танковый удар по 22-й армии и 29 августа захватил Торопец. 22-я и 29-я армии отошли на восточный берег Западной Двины. 1 сентября предприняли наступление 30-я, 19-я, 16-я и 20-я армии, но значительного успеха не достигли. К 8 сентября был завершен разгром группировки противника и ликвидирован опасный выступ фронта в районе Ельни. 10 сентября войска Западного, Резервного и Брянского фронтов перешли к обороне на рубежах по рекам Субость, Десна, Западная Двина.
   Несмотря на значительные потери, понесенные в ходе Смоленского сражения, советской армии удалось вынудить немецкие войска впервые в ходе Второй мировой войны перейти к обороне на главном направлении. Смоленское сражение стало важным этапом срыва германского плана молниеносной войны против Советского Союза. Советская армия выиграла время для подготовки обороны столицы СССР и последующих побед в сражениях под Москвой.