Operaatio Barbarossa oli suurin ja laajin koskaan toteutettu sotaoperaatio. Rintamalla, joka ulottui Jäämereltä Mustallemerelle, miljoonat sotilaat tukenaan yli 3 300 panssarivaunua ja 2 500 lentokonetta lamaannuttivat Neuvostoliiton johdon hyökkäyksen ensimmäisinä päivinä. Yhdessä liittolaistensa Suomen, Unkarin, Romanian ja Italian kanssa, saksalaiset armeijaryhmät sotamarsalkkojen Leebin, Bockin ja Rundstedtin komennossa työnsivät rintamaa satoja kilometrejä itää kohti. Saksan ja sen liittolaisten armeijat monin paikoin jyräsivät useat Neuvostoliiton armeijat salamasodalla, estäen tehokkaasti ja pitkään puna-armeijan organisoituneen vastarinnan.
Operaatiolla oli kolme keskeistä strategista päämäärää. Wilhelm Ritter von Leebin komentaman Pohjoisen Armeijaryhmän kohteena oli Leningradin valloittaminen. Leningradin valloittamisen jälkeen Pohjoisen Armeijaryhmän tuli yhyttää suomalaiset Laatokan Karjalassa ja jatkaa sieltä hyökkäystä pohjoiseen. Fedor von Bockin ja Keskisen Armeijaryhmän päämääränä oli Moskovan valloitus. Eteläisen Armeijaryhmän, komentajanaan Gerd von Rundstedt, tavoitteena oli Ukrainan alueen ja Kiovan nopea valloitus sekä teollisuuslaitosten ja viljantuotantoalueiden haltuunotto. Sodan tuloksellisen jatkamisen kannalta Neuvostoliiton eteläalueiden valtaaminen oli strategisesti tärkeää, kun taas Moskovaa ja Leningradia pidettiin enemmän symbolisina kohteina. Toki molemmat kaupungit omasivat suuresti teollisuustuotantoa, jota oli kuitenkin suuressa määrin siirretty suojaan Uralille ja Siperiaan. Historiantutkijat ovat kiistelleet olisiko Moskovan valloitus edes romahduttanut Neuvostoliittoa ja sen armeijaa. Kaupungin menettäminen olisi kuitenkin ollut merkittävä arvovaltatappio Stalinille ja saattanut jopa johtaa hänen syrjäyttämiseensä, Moskovan menettämisen olisi myös ratkaisevasti heikentänyt sotilaiden taisteluintoa ja voinut johtaa myös muiden Neuvostoliiton rintamien romahtamiseen.
Saksalaisten hyökkäys saavutti nopeasti tavoitteensa kaikkien armeijoiden osalta. Operaatio Barbarossa huipentui lokakuussa 1941 Moskovan edustalla saksalaisten käynnistäessä Operaatio Taifuunin. Guderianin johtama Operaatio Taifuuni sai vastaansa Zukovin muodostamat uudet divisioonat. Uloimmat saksalaisjoukot näkivät jo Kremlin tornit ja olivat vain 16 kilometrin päässä punaiselta torilta, ennen kuin neuvostoliittolaisten vastarinta puski heidät takaisin. Talvi seisahdutti saksalaisten laajat sotatoimet ja pitkistä yhteyksistä johtunut huollon katkeileminen esti hyökkäyksien käynnistämisen. Uuden offensiivin Moskovaa vastaan saksalaiset käynnistivät keväällä -42, mutta yhtä lähelle Neuvostoliiton pääkaupunkia saksalaiset eivät enää tulleet sodan kuluessa pääsemään. Lopulta Hitler käänsi suurimman huomionsa Neuvostoliiton eteläosiin, Bakun öljykentille ja Volgan teollisuusalueille, jonne suunnattiin osa Keskisen Armeijaryhmän voimista.
Huolimatta Moskovan valloituksen epäonnistumisesta, Operaatio Barbarossa oli suuri menestys Saksalle. Wehrmacht oli edennyt 1 700 kilometriä Neuvostoliiton länsirajalta, pitäen hallussaan 1,300,000 km2 laajuista aluetta. Salamasodan oppeja noudattaen maavoimat olivat ilmavoimien tukemina säilyttäneet etenemisnopeutensa ja välttäneet joutumasta kuluttaviin taisteluihin puna-armeijan kanssa. Nopea eteneminen johti merkittäviin neuvostojoukkojen saarrostuksiin, mm. Smolenskissa ja Brest-Litovskissa, joiden purkaminen jätettiin jälkijoukkojen tehtäväksi. Saksalaisten ennenäkemättömän nopea eteneminen ja massiivinen hyökkäys johtivat sodan alkupäivinä satojen tuhansia sotilaiden suuruisten puna-armeijan osastojen antautumiseen saksalaisille. On arvioitu Neuvostoliiton menettäneen suurimman osan taistelukykyisistä joukoistaan antautuneina jo sodan alussa. Neuvostoliiton armeija oli menettänyt yli 20.000 panssarivaunua ja lentokonetta, joista suurin osa tuhottiin suoraan kentille.
Usein on katsottu toisen maailmansodan käännekohdaksi muodostuneen nimenomaan Saksan Neuvostoliittoon suuntautunut sotaretki, jonka suurimmissa taisteluissa Saksa tulisi häviämään koko sodan. Saksan ja Euroopan kohtaloa ei kuitenkaan ratkennut Moskovan porteilla, Stalingradin raunioilla tai historian suurimmassa panssaritaistelussa Kurskissa. Toisen maailmansodan päättyminen Saksan häviöön ratkaistiin 5.9.1940. Tuona päivänä Adolf Hitler määräsi Luftwaffen muuttamaan strategiaansa taistelussa Britanniasta. Luftwaffe oli keskittynyt ilmaherruuden saamiseen Kuninkaallisilta Ilmavoimilta (RAF) Etelä-Englannin ja Kanaalin yllä. Tuon tavoitteen saavuttamiseksi Luftwaffe oli iskenyt suurella voimalla lentokenttiä ja hävittäjä laivueita vastaan. Operaatio Merileijonan toteuttamisen kannalta ilmaherruuden saavuttaminen oli elintärkeää.
Kuitenkin Hitlerin 5.9 antama käsky ei enää kiinnittänyt päähuomiota RAF:n lyömiseen vaan asustuskeskuksien, kuten Lontoon, pommituksiin. Syy äkilliseen strategiaan muutoksiin johtui RAF:n suorittamasta Berliinin pommituksesta. Hitlerin tekemä päätös oli koko sodan kannalta hyvin kohtalokas ja osaltaan sen seurauksena Saksa myöhemmin joutui kahden rintaman sotaan Neuvostoliittoon hyökkäämisen jälkeen.
Luftwaffen kapasiteetti ei riittänyt Führerin uuden käskyn ja aikaisemman suunnitelman yhtäaikaiselle toteuttamiselle. Briteille Saksan suunnitelmien muuttuminen oli onnenkantamoinen, sillä syyskuun alkupäivien tilanne oli hyvin kriittinen. Luftwaffe oli pystynyt suurista tappioistaan huolimatta melkein halvaannuttamaan RAF:n. Oli enää päivistä kiinni Saksan ilmaherruus Britannian yllä. Hitlerin päätös siirtyä asutuskeskuksien pommittamiseen antoi RAF:lle sen pitkään kaipaaman hengähdystauon: uupumuksen partaalla olleet lentäjät pystyivät lepäämään, lentolaivueet pystyttiin kokoamaan uudestaan ja toiminta ohjaamaan vielä säästyneille kentille. RAF:n uusi nousi, käänsi ilmasodan Saksalle epäedulliseen suuntaan ja johti lopulta Operaatio Merileijonan peruuttamiseen. Operaatioon keskitettyjä joukkoja alettiin siirtää Kanaalin rannikolta Saksan itäosiin Operaatio Barbarossaa varten.
Taistelussa Britanniaa vastaan Hitlerin 5.9 antama käsky oli merkittävä strateginen virhe. Yhtä suurena virheenä Saksan sodankäynnin kannalta voidaan sen ohella pitää Dunkerquen evakuoinnin sallimista. Saksan hyökättyä Ranskaan toukokuussa 1940 ja saavutettuaan Kanaalin rannikon, oli suurin osa Britannian siirtoarmeijasta jäänyt mottiin Dunkerqueen. Hitler määräsi 24.5 2. panssaridivisioonan pysäyttämän hyökkäyksensä, osaltaan toivoen hyökkäyksen pysäyttämisen edesauttavan rauhan saamisessa Britannian kanssa. Hyökkäys käynnistettiin uudestaan 26.5, mutta tuon kahden päivän aikana britit olivat pystyneet aloittamaan joukkojensa evakuoinnin ja saivat siirrettyä yli 300 000 sotilasta Englantiin. Tuo joukko tuli muodostamaan britti armeijan rungon, joka tulisi lyömään Hitlerin joukot niin Pohjois-Afrikassa kuin Normandiassakin.
