1940年秋，随着德军在西线战事的顺利推进，希特勒开始将侵略矛头指向苏联。1940年12月18日，希特勒正式下达对苏作战指令，侵苏方案以“巴巴罗萨”（神圣罗马帝国腓特烈一世的绰号“红胡子”的音译）为秘密代号，要求德军在1941年5月15日以前做好突袭苏联的一切准备。
1941年6月22日凌晨，德军在波罗的海到喀尔巴阡山宽约1500千米的正面地带上，向苏联发起全线进攻，苏德战争（又称“苏联卫国战争”）爆发。
战争初期，苏军节节败退，德军凭借充足的准备和武器装备上的优势发起全面进攻，很快占领了立陶宛、拉脱维亚全部，白俄罗斯、乌克兰大部，中央集团军的前锋已逼近莫斯科。
德军虽取得初步胜利，但远未实现巴巴罗萨计划预定的目标。1941年9月6日，希特勒决定实施“台风”作战计划，集中53个步兵师、14个坦克师和8个摩托化师的兵力向莫斯科发动主攻。至10月中旬，德军以钳形攻势，从西、北、南三面包围莫斯科；10月下旬，德国先头部队距离莫斯科已不到100千米。11月7日，冒着德军的炮火，斯大林坚持在红场举行纪念十月革命胜利24周年的阅兵式，参加阅兵后的苏军从红场直接开赴前线。经过浴血奋战，苏军顶住了德军的进攻，取得了莫斯科会战的胜利，打破了德军“不可战胜”的神话，极大地鼓舞了苏联和世界人民抗击法西斯的斗志。
1942年，苏联国民经济全面转入战时体制，给军队提供的新式武器装备逐渐增多。此年7月，希特勒先后集中了150万人的兵力，对斯大林格勒和南高加索展开进攻，企图切断苏联中部和南部的联系，占领高加索石油区，向北迂回包抄莫斯科。7月下旬，斯大林格勒会战打响。此战初期，苏军处于劣势，至9月中旬，德军已攻入市区。苏军利用建筑物组成抵抗的支撑点和枢纽部，进行顽强的阻击。在苏军的英勇抵抗下，德国人始终未能完全占领斯大林格勒。从1942年11月开始，苏军转入战略反攻阶段。苏军实施“指环”进攻计划，调集了110万军队，从南、北两翼发起反攻，于1943年2月合围并歼灭了包围斯大林格勒的德军主力，俘虏德军指挥官鲍罗斯元帅。斯大林格勒会战中，德军累计损失达150万人，此役改变了苏、德双方态势，扭转了苏德战场的战局，是欧洲东部战事的转折点。
斯大林格勒会战后，苏军从巴伦支海到黑海的整个苏德战场发起战略进攻，一路收复失地。1943年7至8月，苏、德在库尔斯克进行了一场决战，这也是第二次世界大战最大规模的战役之一，双方参战兵力约达400万人、坦克1.3万辆、飞机1.2万架。德军在这场决战中失利，被歼约50万人，基本丧失了进攻能力。此后，苏军完全夺得了战略主动权，德军全线转入防御。
1944年开始，苏军对德军连续发动了10次重大的战略性进攻，收复了国内全部被占领土，并将战线逐渐外移。1945年4月26日，苏军开始强攻柏林；30日，苏军将苏联国旗插上了德国国会大厦的屋顶。5月8日，德国宣布无条件投降。苏德战争以苏联胜利而结束。
苏德战场是20世纪最为惨烈、血腥的战场。苏联为赢得这场战争付出了极为沉重的代价，在长达四年的卫国战争中，苏方军民共损失2700多万人。生命和鲜血换来的战果是，苏军消灭和击溃了德国及其盟军共607个师，占其在“二战”中所损失的全部师建制中的77.5%以上；歼灭德军1000万人，占其在整场战争中全部折损兵力的73.5%；德军75%以上的武器装备为苏军所击毁和缴获。可以说，倘若没有苏联卫国战争，没有苏联人民的顽强抵抗，第二次世界大战的最后胜负将难以判断。因此，苏联是对世界反法西斯战争的胜利作出最大贡献的国家。
