Для второго наступления на Москву германское командование создало две ударные группировки на флангах Западного фронта. С северо-запада на столицу наступала группировка в составе 3-й и 4-й танковых групп и часть сил 9-й армии, на тульско-каширском направлении — 2-я танковая армия.

4-я полевая армия готовилась к боевым действиям на звенигородском, кубинском, наро-фоминском, подольском и серпуховском направлениях. На каждом из них действовал один армейский корпус, усиленный танками. Замысел операции сводился к тому, чтобы двумя мощными подвижными группировками нанести одновременные сокрушительные удары на стыках трех советских фронтов и, разгромив противника, стремительно обойти Москву с севера и юга, сомкнув танковые клещи восточнее столицы.

Всего для захвата Москвы была выделена 51 дивизия, в том числе 13 танковых и 7 моторизованных. В их составе насчитывалось 1000 танков и около 10,4 тысячи орудий и минометов. 9-я и 2-я армии предназначались для прикрытия внешних флангов ударных группировок. Воздушное прикрытие операции обеспечивали около 600 самолетов.

К началу нового наступления группы армий «Центр» трудности снабжения не были устранены. Дивизии имели некомплект в вооружении, особенно в танках. Потери в личном составе с начала операции «Тайфун» составляли в общей сложности 316 596 человек, то есть почти 50% всех потерь на Восточном фронте. С первых чисел октября группа армий не получала никаких пополнений. В целом к 10 ноября 1941 года вермахт в России потерял более 2000 танков, получив за этот период только 601 танк и штурмовое орудие. В «Докладе об оценке боевых возможностей Восточной армии» ОКХ пришло к выводу, что боевая численность танковых полков вследствие больших материальных потерь упала в среднем почти на 65–75% и поэтому фактическая мощь танковой дивизии составила чуть более 35% ее штатного состава.

Большие, по немецким меркам, потери в танках выявили недостатки в организации ремонтно-восстановительной службы. Так как группы армий располагали лишь складами запасных частей и не имели достаточного количества ремонтных подразделений, приходилось отправлять поврежденные танки в Германию для ремонта в заводских условиях. Поскольку потери в ходе боев, а также вследствие непредусмотренного износа в связи с температурными и погодными условиями на российских дорогах были значительно выше, чем ожидалось, центральная ремонтно-восстановительная служба не успевала наращивать свои мощности. Сказывалась и нехватка запасных частей, которая усугублялась наличием различных, в том числе трофейных, марок танков. Централизация ремонта боевых машин приводила также к тому, что их доставка с фронта и обратно на фронт уменьшала и без того небольшую пропускную способность железных дорог, а фронт лишался танков на длительное время. Предприятия немецкой промышленности были в более значительной степени, чем планировалось, загружены ремонтными работами и не могли выполнить задачи по выпуску новых танков. Только в 1942 году был осуществлен переход к децентрализованной системе ремонта бронетехники в полевых условиях.

Катастрофических размеров достигли также и потери в автомашинах, в связи с чем была существенно ограничена маневренность и скорость передвижения пехотных соединений. Из почти 500 тысяч автомашин, тракторов и мотоциклов, которыми располагала Восточная армия в начале войны, к 15 ноября оставались на ходу только 15%, или около 75 тысяч.

Значительно ослабленным, недостаточно оснащенным и неготовым к зиме немецким войскам, снабжение которых не соответствовало их нуждам, противостоял противник, который был в состоянии подтягивать свежие силы из глубины страны и полон решимости сражаться. В связи с тем, что германское наступление под Москвой «забуксовало», советское командование немедленно занялось дальнейшим укреплением можайской и других линий обороны. Были возведены новые позиции, осуществлялось широкое минирование местности. Для минирования дорог было создано 2 оперативно-инженерные группы в составе 9 саперных батальонов каждая. Наконец из своих резервов Ставка сформировала целую инженерную армию. Кроме того, в строительстве оборонительных сооружений принимали участие рабочие батальоны, состоявшие из москвичей и жителей Подмосковья.

Высоты и лесные массивы создавали хорошие возможности для ведения обороны и сковывания наступающих. Близость баз снабжения позволяла быстро осуществлять снабжение советских войск, а также оперативно перебрасывать нужные силы на особо опасные направления по рокадным железным дорогам. Хорошо оборудованные аэродромы вокруг столицы позволяли оказывать авиационную поддержку частям Красной Армии даже в таких условиях, когда немецкие летчики вовсе не могли взлетать с раскисших или обледеневших полевых аэродромов.

Еще более важным фактором стало то пополнение в живой силе и технике, которое в первой половине ноября получили войска Западного и Калининского фронтов. Ставка за период с 1 по 15 ноября направила только на Западный фронт 100 тысяч человек, 300 танков и 2000 орудий. На укрепление передовых рубежей выдвигались не ополченцы, а кадровые дивизии, прибывавшие из Средней Азии и Дальнего Востока, а также с других фронтов. Ставке к 15 ноября удалось противопоставить наступающим немецким войскам 82 дивизии. Правда, боевая численность многих из них была ниже штатной. Средняя численность дивизии на Западном фронте составляла 6500 человек, на Калининском — 5600. Число боевых самолетов за счет привлечения авиации Московского ПВО достигло 1138, большую их часть составляли истребители.

Осенью 1941 года танков в Красной Армии значительно поубавилось, к ноябрю потери составили около 20000 боевых машин. В октябре пришлось эвакуировать на восток Кировский и Харьковский заводы. Единственным крупным производителем «тридцатьчетверок» в период битвы за Москву оставался Сталинградский тракторный. Тем не менее войска непрерывно пополнялись боевой техникой. Кроме Сталинграда, Горьковский автозавод выдавал ежемесячно 400 легких танков Т-60, имевших 35-мм лобовую броню.

Но и это не все: с начала сентября 1941 года Великобритания начала поставки военной техники Советскому Союзу на условиях ленд-лиза, а вскоре к англичанам присоединились американцы. Согласно подписанному 1 октября в Москве протоколу между СССР, США и Великобританией западные державы обязались поставлять Советскому Союзу ежемесячно 400 самолетов, 500 танков, большое количество грузовых автомобилей и многое другое. В результате еще до конца года Красная Армия получила 750 английских и 180 американских танков. Для сравнения, 2-я танковая группа Гудериана за полгода боевых действий пополнилась лишь 150 машинами.

В танковые войска только Западного фронта на московском направлении входили 3 танковые и 3 мотострелковые дивизии, 19 танковых бригад и отдельный танковый батальон, насчитывавшие 890 танков, из которых около 650 были легкие. Все танковые части и соединения действовали в составе общевойсковых армий.

Боевые действия возобновились 15 ноября наступлением 3-й танковой группы (Германа Гота на посту командующего сменил генерал Рейнгардт) силами 3 танковых и 2 моторизованных дивизий, поддержанных пехотными частями 27-го армейского корпуса, из района северо-западнее Волоколамска против войск 30-й армии генерала Хоменко. Днем позже в полосе обороны 16-й армии Рокоссовского в наступление перешла 4-я танковая группа.