8 января ударные группы Калининского фронта перешли в наступление. На следующий день войска левого крыла Северо-Западного фронта (3-я и 4-я ударные армии) начали Торопецко-Холмскую операцию. В середине января войска Калининского фронта глубоко охватили группировку Оленина с запада и востока, 39-я армия вышла в тыл, в район Сычевки.
10 января войска Западного фронта начали наступление. Сломав упорное сопротивление противника, они освободили города Можайск, Верея, Медынь, Киров, Людиново и Сухиничи. Продвижение обороны противника на правом фланге силами 1-й ударной, 20-й и 16-й армий в районе Волоколамска и Шаховской до Сычевки и изоляции ржевской группировки с востока, а также наступление в центре Западного фронта. создали предпосылки для того, чтобы отрезать оборону противника в направлении Вязьмы и прикрыть группировку Вязьмы противника с юго-востока.
Однако 19 января, вопреки плану Г.К.Жукова, личным приказом И.В.Сталина 1-я Ударная армия (В.И.Кузнецов) была выведена из боя и переброшена в Демянский район.
Части 16-й армии (К. Рокоссовский) были переброшены на юг. Это было связано с тем, что 10-я армия генерал-лейтенанта Голикова должна была захватить Киров и выйти на Вяземскую-Брянскую железную дорогу, а затем способствовать развитию наступления на Вязьму, действуя по разобщенным направлениям в полосе шириной до 120 км. 10-я армия освободила Киров 11 января, но через четыре дня подверглась сильной контратаке немецких войск. В результате его соединения были отброшены севернее Людиново, северо-западнее и северо-восточнее Жиздры, где они перешли к обороне. Руководству и штабу 16-й армии было приказано перейти в район Сухиничей, взять под контроль соединения и части 10-й армии, организовать противодействие врагу и восстановить утраченные позиции. Эта задача была выполнена 29 января.
Войска 20-й армии не смогли преодолеть оборону противника и завершить рассечение ржевско-Вяземской группировки и перешли к обороне. Идея наступления на всех фронтах, провозглашенная И.В.Сталиным 5 января 1942 г., но не подкрепленная ресурсами, привела к потере инициативы, срыву контрнаступления под Москвой и неоправданным жертвам под Ржевом.
В центре полосы наступления Западного фронта действовали 5-я и 33-я армии. 14 января 5-я армия освободила Дорохово, 17 января - Рузу, 20 января - Можайск, 22 января - Уваровку. Но затем 5-я армия из-за недостатка сил была вынуждена остановиться и в течение февраля вела кровопролитные безуспешные бои на реке Воря. Советские войска вышли к Васильковскому узлу немецкого сопротивления и ценой тысяч солдатских жизней удержали этот рубеж. Урочище у дороги, ведущей из села Уваровка в сторону села Семеновское, получило название «Долина смерти».
А. Гитлер сместил командующего 4-й танковой армией генерал-полковника Э. Гепнера (8 января), командующего 9-й армией генерал-полковника А. Штрауса 15 января сменил генерал В. Модель. 20 января на посту командующего 4-й армией Кюблера сменил Г. Хейнрици.
В результате энергичных мер нового командующего 9-й армией В. Модель наступление в обороне западнее Ржева было закрыто, а коммуникации 39-й армии, частей войск 29-й армии и 11-го кавалерийского корпуса были перерезаны.
22 января Ставка перебросила 3-ю и 4-ю ударные армии с Северо-Западного фронта на Калининский фронт.
В конце 25 января 29-я армия была изолирована от основных сил и более двух недель билась в осаде.
27 января 8-я воздушно-десантная бригада приземлилась в районе Вязьмы. Однако после того как немецкая авиация нанесла удары по аэродромам и уничтожила транспортные самолеты, выброску и высадку последующих эшелонов десанта пришлось отменить.
Наступление войск Западного фронта (33-я армия, 1-й гвардейский кавалерийский корпус и 4-й воздушно-десантный корпус) на Вязьму, начавшееся 26 января совместно с 11-м кавалерийским корпусом Калининского фронта, не увенчались успехом.
1 февраля была восстановлена должность главнокомандующего западным направлением, на которую генерал армии Г.К. Жукова, который сохранил пост командующего Западным фронтом. Ставка потребовала завершить разгром основных сил группы армий "Центр". Одновременно немецкое командование подтянуло подкрепление, которое во взаимодействии с авиацией отражало атаки советских войск на Вязьму. Одновременно противник предпринял сильные контрудары по коммуникациям наступавших 33, 39 и 29 армий, войска которых в начале февраля были вынуждены перейти к обороне.
В ночь на 18 февраля командующий Калининским фронтом И.С. Конев отдал 29-й армии приказ вырваться из окружения. Выход из окружения в основном завершился 28 февраля. Но только 5200 человек вышли из окружения и присоединились к 39-й армии (800 из них были ранены). Окруженные дивизии 29-й армии были практически полностью уничтожены в Мончаловских лесах.
С 18 по 23 февраля 7 373 человека из 9-й и 214-й воздушно-десантных бригад были сброшены с парашютом в тыл немецких войск в районе западнее Юхнова. В ночь на 24 февраля они начали наступательные действия. Им удалось продвинуться на 20-25 км в определенных направлениях в сторону 50-й армии и занять ряд населенных пунктов. Но вскоре они подверглись сильным атакам немецкой авиации и контратакам и вынуждены были перейти к обороне.
Во второй половине февраля и марте 1942 года 43-я армия безуспешно пыталась пробить коридор к 33-й армии. 14 апреля 50-я армия Западного фронта начала наступление на прорывные части группы Белова. Но 15 апреля, когда от окруженной армии Ефремова оставалось не более 2 километров, немцы отбросили части 50-й армии и наступление было подавлено.
С вечера 13 апреля вся связь со штабом 33-й армии будет прервана. Вопреки плану штаба Западного фронта и приказу Г. К. Жукова выехать в Киров, И. В. Сталин лично разрешает М. Г. Ефремову пройти кратчайшим путем до Югры, где останки армии попадут в засаду. Армия больше не существует как единый организм, и отдельные ее части движутся на восток разрозненными группами. 17 или 18 апреля раненый Ефремов М.Г. покончил жизнь самоубийством.
В конце марта - начале апреля силы Калинина и Западного фронта предприняли еще одну попытку разгрома ржевской, оленинской и вяземской группировок и соединения с силами, действующими в тылу врага в районе Вязьмы, снова безуспешно.
20 апреля войска получили приказ перейти к обороне на рубеже Ржев, Гжатск, Киров, Жиздра.
24 июня 1942 года уцелевшие десантники 4-го корпуса и кавалеристы группы Белова вышли из окружения и присоединились к войскам 10-й армии.
Бои между 39-й армией и 11-м кавалерийским корпусом в окружении продолжались до середины июля 1942 года, когда они были окончательно разбиты (операция «Зейдлиц»). Командующий 39-й армией генерал-лейтенант И. И. Масленников был эвакуирован, его заместитель генерал-лейтенант И. А. Богданов погиб в окружении.