Общая численность личного состава войск Западного, Брянского и Резервного фронтов составляла 1250 тыс. человек. Военно-воздушные силы трёх фронтов насчитывали 568 самолётов (210 бомбардировщиков, 265 истребителей, 36 штурмовиков, 37 разведчиков). Помимо этих самолётов уже в первые дни сражения в бой были введены 368 бомбардировщиков дальней авиации и 423 истребителя и 9 разведчиков истребительной авиации ПВО Москвы. Таким образом, силы ВВС Красной армии на московском направлении практически не уступали противнику и насчитывали 1368 самолётов против 1320 во 2-м воздушном флоте.

Войска Красной армии на западном направлении, прикрывавшие примерно 1/3 активной части советско-германского фронта, составляли свыше 40% всех сил РККА на фронте от Ладожского озера до Азовского моря. Учитывая отсутствие переставшего существовать в сентябре Юго-Западного фронта, нельзя сделать сделать об однозначном выделении советским командованием западного направления как особо приоритетного. Для сравнения — в составе Ленинградского фронта было 36 стрелковых дивизий, больше чем в любом из трёх вышеперечисленных фронтов. В трёх армиях Северо-Западного фронта было 18 стрелковых дивизий, а дополнительно в его полосе находились подчинённые Ставке 4-я армия (четыре стрелковых дивизии) и 52-я армия (ещё четыре дивизии).

Оперативные планы войск на западном направлении предусматривали ведение обороны практически по всему фронту. Приказы на оборону в той или иной форме были получены по крайней мере за три недели до наступления немцев. Уже 10 сентября Ставка потребовала от Западного фронта «прочно закопаться в землю и за счёт второстепенных направлений и прочной обороны вывести в резерв шесть-семь дивизий, чтобы создать мощную манёвренную группу для наступления в будущем». Выполняя этот приказ, И. С. Конев выделил в резерв четыре стрелковых, две мотострелковых и одну кавалерийскую дивизии, четыре танковых бригады и пять артиллерийских полков. Перед главной полосой обороны в большинстве армий создавалась полоса обеспечения (предполье) глубиной от 4 до 20 км и более. Сам И. С. Конев в своих воспоминаниях пишет:

«После наступательных боёв войска Западного и Резервного фронтов по указанию Ставки в период 10—16 сентября перешли к обороне»[103].

Подготовка к обороне велась под неусыпным наблюдением Генерального штаба. Например, A. M. Василевский 18 сентября 1941 г. прямым текстом известил командующих Западного и Резервного фронтов о возможном наступлении немцев:

«Противник продолжает сосредотачивать свои войска, главным образом на ярцевском и ельнинском направлениях, видимо готовясь к переходу в наступление. Начальник Генерального штаба считает, что созданные вами резервы — малочисленны и не смогут ликвидировать серьёзного наступления противника. Ваши соображения прошу доложить»[104].

Окончательно мероприятия фронтов по усилению обороны были закреплены директивой Ставки ВГК № 002373 от 27 сентября 1941 г. Войскам Западного фронта предписывалось перейти к жёсткой обороне:

«1. На всех участках фронта перейти к жёсткой, упорной обороне, при этом ведя активную разведку сил противника и лишь в случае необходимости предпринимая частные наступательные операции для улучшения своих оборонительных позиций.

2. Мобилизовать все сапёрные силы фронта, армий и дивизий с целью закопаться в землю и устроить на всем фронте окопы полного профиля в несколько линий с ходами сообщения, проволочными заграждениями и противотанковыми препятствиями»[105].

Однако, как и в большинстве оборонительных операций 1941 г., основной проблемой была неопределённость планов противника. Предполагалось, что немцы ударят вдоль шоссе, проходящего по линии Смоленск — Ярцево — Вязьма. На этом направлении была создана система обороны с хорошими плотностями. Например, 112-я стрелковая дивизия седлавшей шоссе 16-й армии К. К. Рокоссовского занимала фронт 8 км при численности 10091 человек при 226 пулемётах и 38 орудиях и миномётах. Соседняя 38-я стрелковая дивизия той же 16-й армии занимала беспрецедентно узкий по меркам начального периода войны фронт 4 км при численности 10 095 человек при 202 пулемётах и 68 орудиях и миномётах. Средняя укомплектованность дивизий 16-й армии была наибольшей на Западном фронте — 10,7 тыс. человек. На фронт 35 км в 16-й армии было 266 орудий калибром 76 мм и выше, 32 85-мм зенитные пушки на прямой наводке. Ещё плотнее на фронте 25 км была построена 19-я армия с тремя дивизиями в первом эшелоне и двумя — во втором. В армии было 338 орудий калибром 76 мм и выше, 90 45-мм пушек и 56 (!) 85-мм зенитных орудий в качестве ПТО. Однако по стечению обстоятельств ни одна немецкая танковая дивизия на армию М. Ф. Лукина не наступала. Из всех армий Западного фронта только в 16-й армии К. К. Рокоссовского была 127-я танковая бригада (5 KB, 14 БТ и 37 Т-26). Остальные танковые соединения подчинялись непосредственно штабу фронта. Позади рубежа обороны 16-й и 19-й армий на шоссе была и резервная полоса обороны. М. Ф. Лукин написал о ней следующее:

«Рубеж имел развитую систему обороны, подготовленную соединениями 32-й армии Резервного фронта. У моста, на шоссе и железнодорожной линии стояли морские орудия на бетонированных площадках. Их прикрывал отряд моряков (до 800 человек)»[106].

Это был 200-й дивизион ОАГ ВМФ из четырех батарей 130-мм орудий Б-13 и трёх батарей 100-мм орудий Б-24 у станции Издешково на шоссе Ярцево — Вязьма. Не приходится сомневаться, что попытка пробиться вдоль шоссе дорого бы обошлась немецким моторизованным корпусам. Но за этот плотный, эшелонированный заслон на шоссе пришлось заплатить низкими плотностями войск на других направлениях. В 30-й армии, принявшей на себя основной удар 3-й танковой группы, на фронт 50 км было 157 орудий калибром 76-мм и выше, 4(!) 45-мм противотанковые пушки и 24 85-мм зенитные пушки в качестве ПТО. Танков в 30-й армии не было вовсе.

Предположения о планируемом направлении удара немецких войск в Вяземской оборонительной операции оказались ошибочными. Произошло это вследствие неверной оценки противостоящих двум фронтам сил противника. Расчёты строились на наличии всего одного крупного танкового объединения и, соответственно, одного удара с запада на восток. Соответственно, помимо направления Ярцево — Вязьма были подготовлены мероприятия по отражению ударов и в других направлениях. В подготовленном штабом И. С. Конева плане обороны было написано следующее:

«На Западном фронте могут быть отмечены как вероятные направления действий противника: а) осташково-пеновское, выводящее в тыл правого крыла фронта; б) нелидово-ржевское, разрезающее фронт на две части и выводящее во фланг и тыл 30-й армии; в) бельское, выводящее в тыл 29-й армии; г) конютино-сычевское, выводящее в район Ржев и Вязьма; д) ярцевское — кратчайшее направление на Москву; е) дорогобужское, выводящее в тыл 20-й армии. Основные усилия войск фронта должны быть направлены на оборону этих важнейших направлений»[107].