С началом войны спешно перестраивалась на военный лад промышленность, транспорт переключился на военный график - эвакуировали в тыл некоторые заводы, ценности, художественные сокровища. Эвакуировали школы, детские сады и институты. К осени 1941 года в Москве из 4,5 миллионов жителей осталось всего 2,5 миллиона человек.
Москва превратилась в военную крепость. В ночь на 22 июля 1941 года немецкая авиация совершила первый налёт на Москву. В дальнейшем налёты повторялись каждый день, но их результаты были невелики: разрушен театр имени Вахтангова на Арбате и некоторые здания в районе Садового кольца. Только одиночным фашистским самолётам удавалось прорваться к Москве и сбросить бомбы. На подступах к столице их сбивали истребители, а в самом городе действовала система противовоздушной обороны (ПВО). Для того, чтобы сбить с толку вражеских лётчиков, москвичи маскировали самые важные архитектурные сооружения Москвы и применяли светомаскировку. Станции московского метрополитена стали надёжными бомбоубежищами.
Осуществление операции «Тайфун» по захвату Москвы фашисты начали 30 сентября 1941 года, 19 октября Москва была объявлена на осадном положении. Суровые меры военного времени практически прекратили начавшуюся было панику.
Оборона была организована по принципу прикрытия наиболее важных в стратегическом отношении районов. 16-ая армия Рокоссовского прикрывала Волоколамский район, 5-ая армия Говорова - Можайский и Наро-Фоминский районы. Малоярославский - 43-я армия под командованием Голубева. 6 и 7 ноября в Москве состоялись традиционные заседания Моссовета и парад войск на Красной площади, а 5-6 декабря части Юго-Западного фронта перешли в контрнаступление. Всего за несколько недель фронт был отодвинут от Москвы на запад на 100-250 километров.
Москва расширяла выпуск военной продукции. На восстановленных или возвратившихся из эвакуации предприятиях осваивалось производство самых современных видов вооружения, велась выплавка высококачественных металлов. Москва принимала раненых, готовила резервы для фронта, собирала и направляла в действующую армию тёплые вещи. Даже в самые тяжёлые для столицы дни осени 1941 года жизнь в городе не замирала.
Все годы войны работали учебные заведения, научно-исследовательские институты (НИИ), концертные залы, театры, регулярно выходили газеты и журналы. 17 июля 1944 года в столице состоялся своеобразный "парад"- через весь город прошли 56 тысяч фашистских пленных солдат и офицеров во главе с 19 генералами. Фашисты увидели Москву не как победители, а как побеждённые.
Незабываемым был салют 9 мая 1945 года. В величественном празднике принимали участие войска действующей армии, Военно-морского флота и Московского гарнизона. Также на парад прибыли сводные полки 10 фронтов, составленные из наиболее отличившихся воинов и героев великих сражений. В этот день столица встречала воинов-победителей, которые с честью и славой пронесли боевые знамена от Подмосковья до Восточной Пруссии и Померании, от Волги до Эльбы, от Сталинграда до Берлина.
Ранним утром Москва, по-праздничному украшенная, наблюдала за могучим маршем советской техники. В бесконечном потоке в направлении Кремля двигались тяжелые самоходные орудия, танки, автомобили, броневики и мотоциклы. К 9 часам на Красной площади выстроились представители всех родов советского оружия — пехотинцы и летчики, артиллеристы и саперы, танкисты и минометчики.
Трибуны заполнили многочисленные гости, в числе которых были депутаты Верховного Совета СССР, Герои Советского Союза и Герои Социалистического Труда, прославленные советские ученые, мастера искусства и литературы, стахановцы московских заводов и фабрик. Также за Парадом с трибун наблюдали члены дипломатического корпуса, главы иностранных военных миссий и военно-морские атташе. Десять ударов кремлевских курантов оповестили о начале церемониала Парада. Горячими овациями люди встречали товарища Сталина. Вместе с ним на трибуну Мавзолея вышли товарищи Молотов, Калинин, Ворошилов, Каганович, Андреев, Микоян, Жданов, Хрущев, Берия, Маленков, Шверник, Вознесенский, Кузнецов, Булганин и Буденный. Мощным криком «Ура!» встретили принимающего Парад Победы маршала Советского Союза Г. К. Жукова, который на белом коне выехал из ворот Спасской башни.
Несмотря на то что в столице в тот день шел дождь, в центр Москвы съезжались толпы людей, одетых в лучшие наряды. Люди были возбуждены, взволнованы, всюду царило праздничное настроение. Вагоны метро, троллейбусы, трамваи и автобусы были переполнены. Практически у каждого пассажира в руках можно было увидеть цветы. На каждом шагу можно было наблюдать сцены, показывающие любовь народа к Красной армии. «Тысячи портретов Сталина, руководителей партии и правительства, маршалов Советского Союза, командующих фронтами, Героев Советского Союза подняты над колоннами, рядом с бархатными и шелковыми знаменами, эмблемами заводов и фабрик, транспарантами, рассказывающими о победах тружеников тыла в дни войны».
На следующий день правительство устроило в Кремле прием в честь участников Парада Победы. В Большом Кремлевском дворце собрались прославленные полководцы. Однако они все еще находились под впечатлением исторического Парада.