Лишь на участке Резервного фронта, под Ельней, советские войска сумели нанести немцам поражение. 6 сентября 24-я армия (генерал К. И. Ракутин) освободила Ельню. Это была одна из первых успешных наступательных операций советских войск. В ходе операции
советские войска продвинулись вперед на 24 км и ликвидировали угрожавший Москве Ельнинский выступ. За бои под Ельней 4 советские стрелковые дивизии первыми удостоились звания гвардейских. Но развить успех и ударить в тыл немецким частям, наступавшим с севера на Украину, Красной Армии не удалось. 10 сентября войска Западного, Резервного и Брянского фронтов перешли на смоленском направлении к обороне.
Встречное Смоленское сражение закончилось. В нем немцам не удалось повторить триумфа первых двух недель «русской кампании». На смоленском направлении блицкриг захлебнулся, и план «Барбаросса» впервые дал серьезный сбой. В целом, в упорных боях июля августа немцы понесли большой урон в живой силе и технике. Генерал Гот отмечал, что «потери в танках составляют теперь 6070 % состава».
Битва за Смоленск резко контрастировала с июньской катастрофой в Белоруссии. Если за первые две недели войны группа армий «Центр» продвинулась на 500600 км, то за последующие два месяца лишь на 150200 км. «В ходе Смоленского сражения войска Красной Армии, жители города и его окрестностей проявили величайшую стойкость. Ожесточенная борьба шла за каждый дом и улицу, за каждый населенный пункт. Задержка вражеского наступления под Смоленском явилась крупным стратегическим успехом», вспоминал Г. К. Жуков.
Смоленское сражение лишний раз продемонстрировало, что окружить и уничтожить основные советские силы западнее Днепра, в соответствии с планом «Барбаросса», немцам не удалось. Это кардинально изменило планы германского командования. Ему пришлось отказаться от быстрого захвата Москвы и искать новые решения. «Стало совершенно очевидным, что способ ведения боевых действий и боевой дух противника, равно как и географические условия данной страны, были совсем непохожими на те, с которыми немцы встретились в предыдущих молниеносных войнах, приведших к успехам, изумивших весь мир», писал начальник Генерального штаба сухопутных войск Германии генерал Ф. Гальдер.
По мнению ряда немецких военачальников, задержка под Смоленском отрицательно повлияла на весь дальнейший ход борьбы Германии против СССР. В некоторых исследованиях Смоленская битва рассматривается как генеральное сражение, от результатов которого зависела судьба всей войны. Советские потери в Смоленском сражении составили около 760 тыс. чел. (из них более трети пленными), 1348 танков, 9290 орудий, 903 самолета.
Одновременно со Смоленским сражением началась Ленинградская битва. На Ленинград наступала немецкая группа армий «Север» (фельдмаршал Лееб), до этого овладевшая большей частью Прибалтики. Действовавшие на данном направлении войска Северо-Западного фронта довольно успешно сумели отойти к старой российской границе, не дав германскому командованию возможности нанести им сколько-нибудь крупное поражение. Это было единственное направление, где немцам не удалось окружить ни одной советской армии.
Ленинградская оборонительная операция (10 июля 30 сентября 1941 г.) началась с наступления группы армий «Север» на Ленинград из района Пскова. Одновременно с ней в районе Карелии перешли в наступление две финские армии (Юго-Восточная и Карельская). Наступавшим противостояли войска Северного (генерал М. М. Попов) и Северо-Западного (генерал П. П. Собенников) фронтов.
Немцам пришлось столкнуться с резко возросшим сопротивлением. Так, с 14 по 18 июля под Сольцами (к западу от озера Ильмень) 11-я армия (генерал В. И. Морозов) фланговыми ударами рассекла надвое вырвавшийся вперед 56-й немецкий корпус (генерал Э. Манштейн), часть которого попала в окружение. Для спасения 56-го корпуса германское командование было вынуждено направить ему подкрепления (соединения 1-го армейского корпуса) и приостановить наступление на Ленинград.
Если за первые три недели войны армии Лееба прошли более 500 км, то до конца июля им удалось продвинуться лишь на 100 км. К началу августа немецкое наступление было остановлено на реке Луга, где немцам пришлось временно перейти к обороне, чтобы произвести перегруппировку сил. В тылу немецких войск оставался не взятый Таллин, защитники которого стойко удерживали город до 28 августа.
8 августа Лееб возобновил наступление на участке Кингисепп Сабск в направлении на Красногвардейск. К 22 августа передовые части 18 немецкой армии (генерал Г. Кюхлер) вышли к Красногвардейскому укрепленному району и попытались обойти его с юго-востока. Но эти попытки были отражены упорным сопротивлением советских войск. 23 августа Ставка разделила Северный фронт на Карельский (генерал В. А. Фролов) для обороны петрозаводского направления и Ленинградский
(генерал М. М. Попов, с 5 сентября маршал К. Е. Ворошилов).
На другом крыле наступления немцы заняли 19 августа Новгород. Стремясь не допустить прорыва немцев на данном направлении, советское командование силами Северо-Западного фронта провело с 12 по 25 августа ряд мощных контрударов южнее озера Ильмень (из района Старой Руссы и Холма). Этот натиск был отражен, и выйти в тыл новгородской группировке немцев советским войскам не удалось.