1 октября Ставка ВГК принимает решение сформировать 1-й гвардейский стрелковый корпус из резерва для обороны Орла, однако из-за стремительного продвижения войск Г. Гудериана, по предложению назначенного командиром корпуса генерал-майораД. Д. Лелюшенко, оборону решили организовать севернее. 2 октября 1-й гвардейский стрелковый корпус, поддержанный 6-й резервной авиагруппой Ставки и фронтовой авиацией, выдвинулся в район Мценска.
Начавшая наступление 30 сентября 2-я танковая группа Гудериана сразу достигла серьёзных успехов. Уже 3 октября части 24-го моторизованного корпуса ворвались в Орёл, преодолев около 200 км. Когда немецкая 4-я танковая дивизия ворвалась в город, по улицам ещё ходили трамваи и лежали ящики с не эвакуированным заводским оборудованием.
Тем временем вечером 3 октября в Мценск прибыла 4-я танковая бригада полковника М. Е. Катукова, которая уже на следующий день при поддержке дивизиона гвардейских миномётов капитана Чумака атаковала маршевые колонны немецкой 4-й танковой дивизии и фактически вывела её из строя. Бои за Мценск на неделю сковали немецкие войска. 6 октября состоялся бой у высоты 217,8 (у села Первый Воин Мценского района): немецкая 4-я танковая дивизия, понеся значительные потери, вновь была остановлена 4-й танковой бригадой. Намеченное немецкое наступление на Тулу пришлось отложить.
С учётом глубокого прорыва немецких войск вечером 5 октября Брянскому фронту было разрешено отвести войска на вторую полосу обороны в районе Брянска и на рубеж реки Десна.
Однако уже 6 октября немецкая 17-я танковая дивизия захватила Брянск, а 18-я танковая дивизия — Карачев, окружив, таким образом, силы Брянского фронта. Командующий фронтом А. И. Ерёменко вынужден отдать приказ армиям фронта о бое «с перевёрнутым фронтом».
В окружение под Брянском попали силы 3-й, 13-й и 50-й советских армий: 27 дивизий, 2 танковые бригады, 19 артиллерийских полков РГК и управления 50-й, 3-й и 13-й армий Брянского фронта. Во время выхода из окружения погиб командующий 50-й армией генерал-майор М. П. Петров. При попытке выхода из окружения 13 октябрясам Ерёменко был серьёзно ранен и эвакуирован в Москву специально присланным за ним самолётом.
Вяземский «котёл»
Вяземский «котёл» в октябре 1941 года.
2 октября началось наступление остальных сил группы армий «Центр». Создав подавляющее преимущество на узких участках, немецкие войска прорвали фронт советской обороны. 4 октября были захвачены Спас-Деменск и Киров, 5 октября — Юхнов. В этот же день противник вышел в район Вязьмы.
Для флангового контрудара по наступающей группировке была создана фронтовая группа И. В. Болдина. Однако в результате танкового боя в районе южнее Холм-Жирковского советские войска потерпели поражение. 7 октября немецкие 7-я танковая дивизия3-й танковой группы и 10-я танковая дивизия 4-й танковой группы замкнули кольцо окружения войск Западного и Резервного фронтов в районе Вязьмы. В окружение попали 37 дивизий, 9 танковых бригад, 31 артиллерийский полк РГК и управления 19-й, 20-й, 24-й и 32-й армий (управление 16-й армии, передав войска 19-й армии, успело выйти из окружения).
До 11 октября окружённые войска предпринимали попытки прорваться, только 12 октября удалось на короткое время пробить брешь, которая вскоре была вновь закрыта. Всего под Вязьмой и Брянском в плен попало более 688 тыс. советских солдат и офицеров, из окружения удалось выйти лишь около 85 тыс.. В вяземском «котле» были пленены командующий 19-й армией генерал-лейтенантМ. Ф. Лукин и направленный к нему на помощь бывший командующий 32-й армией генерал-майор С. В. Вишневский, погиб командующий 24-й армией генерал-майор К. И. Ракутин.