1938年，作为地铁二期工程，拆解自1号线阿尔巴特支线并往东延伸的3号线阿尔巴特-波克罗夫卡线（Арбатско-Покровская линия），以及崭新的地铁2号线莫斯科河畔线（Замоскворецкая Линия）先后开通。在总结了一期工程的经验后，建筑师和设计师们开始尝试一些更大胆的设想。

现属于4号线的基辅站（Киевская），开通于1937年3月20日，明挖两柱三跨式车站，埋深9米。这个站的装修设计可以说是一期工程的升级版：立柱由方形变成圆形，柱头衬以精细的石雕，地板图案也变得复杂，轨行区墙面的马赛克更为精致。

二期工程

车站刚开通时是1号线阿尔巴特支线的新终点站，后跟随支线拆解，归入新开通的3号线。战后，因战备需要和安全原因，浅埋阿尔巴特线被废弃，以新建的深埋阿尔巴特线取而代之，车站随之关闭。后来，新任总书记赫鲁晓夫亲自干预地铁规划，浅埋阿尔巴特线恢复运作，并延伸出地面，进入至当时正在开发的菲利地区。因此，这个基辅站就成现在的地铁4号线一部分了。

2号线马雅可夫斯基站（Маяковская），1938年9月11日开通，柱式三拱深埋暗挖车站，埋深33米。这是全球第一个柱式三拱深埋暗挖地铁站，其具体使用的工法放在当代中国大陆的地铁技术体系里被称作“盾构扩挖法”：先用盾构法挖出构成两侧站台的隧道，然后筑起立柱、破拆管片，建构拱形中央大厅。支撑立柱和拱顶都是钢结构，放在当时也是一大技术突破。车站的装修风格是当时欧美最时髦的“Art Deco”风。每一对立柱与拱顶形成了帆拱结构，其木质天花中间凹陷，内饰以马赛克拼贴画，一共35幅，由列宁格勒艺术家协会的弗拉基米尔·弗罗洛夫（Владимир Александрович Фролов）制作。

虽然该站以诗人马雅可夫斯基命名，但装修主题与这位诗人几乎完全无关。直到50年代，当局在此设立了一尊马氏的头像雕塑，大家的吐槽才慢慢平息下去。

伟大的卫国战争期间，该站曾用作防空洞、指挥所和战地医院。1941年11月6日——也就是那场著名的十月革命红场阅兵的前一天——领袖斯大林在此发表演讲。现在很多军事、历史节目里面使用的关于斯大林的资料片段，就经常有剪辑自这场演讲的镜头，不经意地向观众讲述着发生在这个地铁站的一件往事。

卫国战争与三期工程

地铁的第二期工程建设完成后，紧接着的自然是第三期。如果没有纳粹入侵的话，三期工程会完成得更早、更好。1941年6月22日，伟大的卫国战争开始后的第一个晚上，有50万人进入地铁站和隧道躲避德军的空袭。

然而，不是地铁里的所有地方都能承担防空掩体的职能。1941年7月22日，当时属于3号线的浅埋阿尔巴特线斯摩棱斯克（Смоленская）-阿尔巴特（Арбатская）隧道区间被德军的航空炸弹炸穿。线路行经的阿尔巴特大街类似于北京的前门大街、广州的北京路那样的老城区商业步行街，同时也是苏联（现俄罗斯）国防部所在地。因为这次事件，战后当局立即开建平行的、平均埋深约40米的深埋阿尔巴特线。这个深度甚至足以抵御核攻击。

1941年10月15日，德军逼近莫斯科城下，城里出现了大恐慌与大疏散（Паника и массовое бегство из Москвы）。当天，卡冈诺维奇接到上级的命令，宣布地铁停运，准备拆除里面的电缆、电机、扶梯和车厢，作为战略物资转移出去。次日，莫斯科大恐慌的第一天，地铁全天停运——这也是自开通至今唯一一天完全不提供服务。晚上，地铁设施拆除令被废止，并恢复提供有限度服务。按照某些坊间传言，一旦莫斯科沦陷，当局将爆破拆除整个莫斯科地铁系统，造成中心城区大塌方，不让首都落入敌手，同时阻滞德军前进。还好，英勇的红军成功击退纳粹对首都的进攻，上述那悲壮的破釜沉舟，最终没有成为现实。

喘息片刻后，1942年5月，首都人民在战火之下，恢复了地铁三期工程的建设，并且在1943年和1944年分别开通两段新线路、共计7个车站。在战火纷飞的年代，物资紧缺，新地铁站仍然以较高的质量完成。当时苏联当局认为，文化战线也是反法西斯斗争的前线。美妙的诗歌、舞蹈、交响曲、甚至包括地铁这种建筑物，能够鼓舞人民士气，建立大众信心，促进反法西斯战争的进一步胜利。新地铁站的胜利开通，为首都人民、乃至整个联盟带来了更多的希望和勇气。

2号线新库兹涅茨基站（Новокузнецкая），开通于1943年11月20日，门廊式三拱深埋暗挖车站，埋深37.5米。

该站的马赛克拼贴画以苏联的新生活为主题，由前面提到的弗拉基米尔·弗罗洛夫制作。画作制作期间正是列宁格勒被德军围困的第一个冬天，物资高度紧缺。弗罗洛夫可以说是真正的人民艺术家：他向当局请求15升汽油，不为工作室取暖，只求能让彩色玻璃熔化、好让莫斯科地铁的这订单能尽快完成。最后这批作品通过拉多加湖的“生命之路”运出，但部分也因此散佚。遗憾的是，这位艺术家于1942年2月3日在列宁格勒辞世，未能见到自己的作品最终装裱在地铁站里。

3号线发电厂站（Электрозаводская），开通于1944年1月18日，门廊式三拱深埋暗挖车站，埋深31.5米。该站最令人印象深刻的是站台中央大厅那一排6盏、共计318盏的射灯，可以说是附近的莫斯科电灯厂的最好的广告。