1941年6月22日， 法西斯德国撕毁《 苏德互不侵犯条约》，向苏联发动突然袭击。由于战前苏联对战争危机估计不足，没有充分做好迎战准备，对双方力量对比估计失当，以及战略指导失误等原因，战争初期红军未能阻止德军的进攻。至7月8日，红军89个步兵师、20个坦克师被歼。
为抗击侵略，苏联共产党和政府动员全国军民奋起进行 卫国战争。至1941年7月1日，共有530万人应征参加红军。至11月，红军共有291个师又94个旅开赴前线。至1941年底，红军新组建400多个师。苏共中央动员共产党员参军参战，至1941年12月下旬，约有110多万党员参加红军。
军事院校通过扩大招收学员名额，缩短学制，提高培训能力。方面军和集团军举办速成训练班，培训大量初级军官。同时，还大批提拔作战有功的士兵充实基层干部队伍。由于采取上述紧急措施，红军的作战能力得到迅速提高。
到1941年底，红军终于把德军阻止在 莫斯科和 列宁格勒（今 圣彼得堡）接近地，并为转入反攻创造了条件。在 莫斯科会战的第二、第三阶段，红军消灭德军50余万人，使法西斯德国在第二次世界大战中首次遭到失败，希特勒的“ 闪击战”计划彻底破产。
1942年夏季，德军在 苏德战场南翼发动进攻，企图夺取 高加索石油产地和 顿河、库班河一带产粮区。为阻止德军进攻，红军继续扩充力量，至1942年夏总兵力达1000余万人（其中作战部队550余万）。在 斯大林格勒会战中，红军给德军以沉重打击，夺取战略主动权。这一胜利扭转了苏德战场的局势，成为苏德战争的转折点。
随着战时国防工业的迅速发展，1943年红军在军事技术装备方面取得了对德军的优势。至1943年6月，红军作战部队已拥有火炮和迫击炮10万余门，坦克和 自行火炮1万余辆，作战飞机1万余架。同年底，红军已有5个坦克集团军、24个坦克军和13个机械化军。航空兵师、军和 空军集团军也进一步扩编。
在1943年夏秋战局中，德军统帅部企图夺取 库尔斯克突出部，以扭转不利态势，但红军在 库尔斯克会战中给德军以歼灭性打击，完全掌握了战略主动权。1944年，红军在 列宁格勒、克里木、第聂伯河右岸 乌克兰、白俄罗斯、摩尔达维亚、波罗的海沿岸和 北极地区连续发动一系列大规模战略性进攻战役，把德军赶出苏联国土。
1945年4月，红军发起 柏林战役，歼灭德军近百万人，彻底捣毁 希特勒老巢。苏德战争结束后，红军挥师东向，于同年8月9日对日作战，在中国共产党领导的东北抗日联军军队协同下，粉碎日本关东军，为世界反法西斯战争的最后胜利做出重大贡献。
苏德战争期间，苏联共产党向红军输送160余万党员。他们在红军中发挥了核心领导作用，使红军经受了严峻的战争考验。在反法西斯战争中，红军700多万官兵荣获勋章和奖章，1.1万余人被授予 苏联英雄称号。
