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7月10日，为加强苏军统帅部的权威性，苏联国防委员会对苏军统帅部进行改组，由斯大林担任主席。同时，为了协调各战略方向的作战协同，苏联组建了西北、西、西南3个方向总指挥部。西北方向总指挥部由伏罗希洛夫任总司令，西方向总指挥部由铁木辛哥任总司令，西南方向总指挥部由布琼尼任总司令。这些方向总指挥部的任务为：对本方向的各方面军和海军进行战略指导，检查各部队对统帅部军令的执行情况，以及领导本方向的军事后勤工作。
7月14日和18日，苏军统帅部先后下令在西方面军后方建立后备方面军和莫扎伊斯克防线方面军，目的是在西德维纳河、第聂伯河防线以东到莫斯科方向构建第二道防线。苏军统帅部要求后各方面军进驻旧鲁萨、奥斯塔什科夫、叶利尼亚、布良斯克，苏军要求莫扎伊斯克方向军进驻沃洛科拉姆斯克以西、莫扎伊斯克、卡卢加。苏军要求两个方面军快速建立梯次配置工事。莫扎伊斯克防线由3道防御带构成，每道防御带的距离为30~60公里，建立多道中间防御阵地，整个防线的纵深为120~139公里。在西北战略方向和西南战略方向，苏军均采取了相应措施，但规模不如西方面大。
苏军在做好被动防御的前提下，还进行了可行性机动防御。在防御战中，苏军做好“以我之机动对付敌人的机动”的准备。苏军集中兵力，向德军发起反攻，争取夺取战略主动权。苏军在加强陆地防御的同时，大力提高了防空能力。在很短的时间内，苏军防空兵力和武器大大增多，防空体系不断扩大。苏联的莫斯科和列宁格勒等经济中心，兵工、能源和通信、交通枢纽防空体系都建立起来了。
7月15日，苏军统帅部决定将集团军小型化，撤销了军一级建制，集团军统辖5~6个师。苏军统帅部缩编了陆、空军部队。
7月16日，苏共中央政治局通过了改组政治宣传机构和在苏军中实施军事委员制度的决议。苏军总政治部宣传部和海军总政治部宣传部都改组成总政治部，陆海军机关实行军事委员制，军事院校实行军事委员制。它们的目的是加强苏联共产党对苏军的领导和做好政治工作。各级政治宣传部、宣传处分别改组为政治部和政治处。各团、师、司令部实行军事委员制度。同日，苏联国防委员会发布《关于国防人民委员会和海军编练预备队的决定》。
7月18日，苏共中央发布《关于在德军后方组织斗争的决定》。为支援正面防御，《决定》要求各级党委组织敌后斗争，使德军陷入两线作战的被动境地。1941年下半年，苏联18个地下州委、260个地下地委、地下市委、地下区委和各种地下党组织，在沦陷区组建了2000多支游击队，人数达9万人。广大人民群众积极开展各种抗敌活动。
7月29日，由于兵力、武器的增加和战场形势的多变，苏军统帅部对部队的编制进行了大量调整。步兵师的兵员缩编30%，配备的火炮减少52%，卡车减少64%，骑兵师人数缩编为3000人，坦克师缩编为坦克旅，反坦克炮兵撤旅改团，空军师由3个团缩为2个团，各团的飞机数量缩为22架。
8月8日，苏军统帅部改称最高统帅部大本营，斯大林为最高统帅。苏联在政治、军事和经济等领域形成了高度集中的集权制。最高统帅部是苏军的最高指挥机构，它的主要职责是给苏军总参谋部下达建议，制订战略计划，组织各军种战略集团间的协同，以及苏军与游击队间的协同，负责协调苏军与盟军的行动，监督各部队任务的执行情况，负责建立物资储备和机动物资的储备等。
国防委员会所属的苏军总参谋部，改组为最高统帅部的主要业务机关。总参谋部不再负责兵员补充和军事训练等日常工作。苏联新建和恢复了空降兵、火箭炮兵、工程兵、国土防空军和炮兵等司令部，加强了对各兵种的战略指导。通信人民委员兼任通信部长，集中管理军、地各级通信部门。
改组后，斯大林担任苏共中央总书记，并兼任人民委员会主席、国防委员会主席、国防人民委员、最高统帅。苏联形成了在政治、军事和经济等方面的集中领导，克服了各军事首长和各主要国家领导人在指挥上职权不清引起的混乱。斯大林不可能完成如此多的任务，这无疑超出了一个人所能承受的能力。为此，他借鉴一战时一些国家直接向主要战区派出代表的经验，向各个重要战区派出最高统帅部代表。最高统帅部代表均由各军事首长担任。这些将领对各军区的情况比较了解，直接参与制订战役计划。斯大林要求他们对战役的实施负全责，并授予他们全权，使他们能够就地解决问题。
苏军总参谋部的职责为制订全国军队的使用计划，组织实施战役和战略性战役的计划，组织各集团军、各方面军之间的协同。苏军参谋部负责搜集、分析情报，向统帅部报告结论、提出建议，向陆军、海军发布统帅部的命令，同时负责监督命令的执行情况。
8月，苏联国防委员会成立苏军编练总部，负责部队、兵团的编组、补充、训练和对人民进行强制军训等工作，它对保证有效发挥部队战斗力起到了积极作用。国防委员会同时确立空降兵司令、火箭炮兵部队司令、工程兵主任、炮兵主任等职，并建立国土防空总部和防空歼击航空兵部等。苏军通信总部负责改革军队和地方的通信体系。海军在战斗时归属各方面军司令员，海军负责配合在滨海方向的作战。海军人民委员部和海军司令部领导海军舰队在海区独立作战。在苏军编练总部的统一领导下，苏军组建和训练了大量预备队，这些预备队源源不断地开赴前线。
战争爆发后，苏联开始改革部队的后勤保障工作。军队没有巩固的后方就无法长期作战，为了保持军队的足够强大，必须使军队不断地从后方得到兵员、弹药和粮食的补充。为此，国防委员会成立总后勤部和方面军、集团军后勤部，设立后勤部长、方面军后勤部长、集团军后勤部长等。赫鲁晓夫兼任后勤部长。国防委员会还设立了空军后勤部长和海军后勤部长。苏联对后勤部门进行的改革和指挥在苏军防御战中发挥了巨大的作用。事实证明，新组建的方面军后勤部和集团军后勤部功不可没，它们没有辜负国家的期望。