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1941年6月，德国组成了北方、中央和南方集团军群，从三个战略方向发动对苏联的全线进攻——巴巴罗萨计划。
北方集团军群由冯李布元帅指挥，从东普鲁士出发，计划横扫波罗的海三国，目标指向列宁格勒。
中央集团军群由冯博克元帅指挥，目标是在白俄罗斯地区达成决定性胜利后，攻占斯摩棱斯克——莫斯科的门户，进而攻占莫斯科。
南方集团军群由伦德施泰特元帅指挥，与匈牙利、罗马尼亚、意大利等轴心国并肩作战，目标是夺取工农业发达人口密集的乌克兰地区，并进而向伏尔加河以及高加索进军。
苏联方面虽然明白与德国的互不侵犯条约迟早要成为一纸空文，但由于德国佯装执行进攻英国的海狮计划放松了斯大林的警惕，即便边境的德国军队动向越发明显，斯大林也迟迟没有命令前线部队做好防御准备，直到开战前一天才对边境部队发布加强戒备的命令。这也为苏德战争前期苏联军队的溃败埋下了伏笔。
战争开始后，德军在三条战线势如破竹，充分运用机动部队运动战围歼了大量苏联军队。北线直抵列宁格勒并完成了对列宁格勒的合围，但苏联陆海军以及苏联人民克服了重重困难，没能让希特勒的部队进入列宁格勒城，此后德军对列宁格勒实施封锁和轰炸，但并没有使列宁格勒沦陷。中央方向攻占斯摩棱斯克后本有机会直接进攻莫斯科，但希特勒不顾一些高级军官的意见，执意调兵南线以消灭苏联在乌克兰的部队，错过了进攻莫斯科的最佳时机。南线德军在乌克兰战果辉煌，围歼了整个乌克兰方面军，攻占了基辅，但这胜利背后的代价是德军放缓中央方向对莫斯科的进攻，使得苏联有机会部署莫斯科的防御。
随着战线不断深入，德军暴露了他们后勤组织不力的缺点。到10月份，苏联进入秋雨季节（个人认为，阻止德军继续前进的不是寒冬，而是秋雨，原因见下），装甲部队的机动越发不利，德军的攻势日趋减缓。战线开始僵持。
到了12月份，德军的进攻势头基本达到极限，而苏联经过近半年战争的磨练与全面的动员，实力不断增强。最终德国在莫斯科郊外惨败，被迫后撤，同时苏联发动冬季攻势。但苏联此时也高估了自己的实力，低估了德军的战斗力，最终苏联的冬季攻势未能取得预想的效果，双方进入了一段相持阶段。
1942年，德国意识到自身已经无力再发动一次如同41年那样的全面的对苏进攻，于是改变策略，在北线和中央采取守势，在南线发动了一次重点进攻。目标是全面占领刻赤半岛，攻占伏尔加河流域工业重镇和交通枢纽——斯大林格勒以及南方的高加索油田。一旦高加索被攻克，苏联将失去主要石油产地，大大削弱战争实力。而拿下伏尔加河流域以及斯大林格勒，将切断苏联重要的交通运输线，并将为以后德军北上提供条件。
起初这一攻势势如破竹，但这时希特勒再次刚愎自用，执意要同时在两个方向——斯大林格勒和高加索方向进攻，到后来甚至不断削弱高加索方向与北方的兵力以增援斯大林格勒。与此同时苏联也不断增兵斯大林格勒，双方不断增兵，二战以来最血腥的战役——斯大林格勒战役爆发了。
由于是城市巷战，德军的装甲部队的优势被无限缩小，而苏联军队高昂的士气与不屈的意志最终战胜了科技。德军前进的脚步从1941年时的一天近百公里变成了一天只能前进几米，每一条街道，每一座建筑都成了双方争得你死我活的战场。年底，苏联在斯大林格勒附近集结大量部队发动了一次大反攻，一举在斯大林格勒合围了德国的第六集团军和装甲第1集团军。其实即便此时，包围圈中的德军下仍有希望在外围德军的帮助突围，避免被围歼的悲剧，但希特勒强令部队不得后撤一步。最终，德军在斯大林格勒惨败，付出了伤亡被俘80多万人的代价，并在随后被迫全线后撤。不过在德军高级将领的出色调度指挥下，德军避免了更多的类似于斯大林格勒的惨剧，苏联这一次的冬季攻势还是没能取得全面的胜利。但即便如此，德国也失去了再次对苏发动大规模进攻的实力，战争的天平向苏联倾斜。
1943年，德国发动了东线的最后一次进攻——进攻库尔斯克。此役中也发生了人类历史上最大规模的坦克战。最终德军虽在战术上取得了一定成功，以较小的力量消灭了苏联大量的有生力量，但也耗尽了最后的实力，从战略角度看这一战役是失败的。而且此时美英同盟国已经登陆西西里，进攻意大利，德军最后不得不停止进攻，继续撤退。这一年苏联收复了库尔斯克，哈尔科夫，斯摩棱斯克，布良斯克，顿巴斯盆地等重要地区，并突破了德军对列宁格勒长达900天的包围。
1944年，通过多次大规模的反攻，苏联收复了全部失去的领土，消灭了德军大量有生力量，将战线推进到境外。此后德国在东线的三个主要盟国——罗马尼亚，保加利亚，匈牙利相继倒戈。同时西线同盟国发动了诺曼底登陆，德国在东西两线疲于奔命，已经大势已去。
1945年，苏联相继占领波兰，匈牙利，南斯拉夫，奥地利东部和捷克斯洛伐克的一部分，为进攻德国首都柏林做好了准备。4月16日，苏联三个方面军发动了柏林战役，德军负隅顽抗但最终回天无力。5月份，德军停止了有组织的抵抗，希特勒自杀，5月8日，德国无条件投降，苏德战争以及二战欧洲战场的站战斗宣告结束，纳粹德国覆灭。
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