13 октября генералом Хоменко к городу были переброшены 5-я и 265-я стрелковые дивизии, которые с ходу вступили в бой с 1-й танковой дивизией Экингера. После двухдневных боев Калинин и невредимый мост через Волгу был оставлен советскими войсками.

Попытка 41-го мотокорпуса развить наступление на Торжок во фланги тыл Северо-Западного фронта была сорвана оперативной группой генерала Н.Ф. Ватутина. В группу входили две стрелковые и две кавалерийские дивизии, 8-я танковая бригада полковника П.А. Ротмистрова и 46-й мотоциклетный полк. Главные силы бригады — около 60 танков и мотоциклетный полк, совершив 240-километровый марш в течение полутора суток, к 14 часам 15 октября вышли на подступы к Калинину, а через два с половиной часа перешли в наступление с целью разгрома противника в северо-западной части города. Ожесточенные бои длились три дня. За Калинин сражалась также и 21-я танковая бригада под командованием полковника Б.М. Скворцова, которая 17 сентября нанесла удар по противнику с юга.

В следующие четыре дня, с 19 по 22 сентября, 8-я танковая бригада, действуя из засад, которые были организованы вдоль шоссе Калинин — Торжок, во взаимодействии с частями 185-й стрелковой дивизии вела бои с прорвавшейся немецкой группировкой северо-западнее Калинина. Танковые бригады на калининском направлении хоть и не выполнили задачу по освобождению города, но сорвали немецкое наступление на северо-восток в направлении на Торжок. 3-я танковая группа, которую теперь возглавлял генерал Рейнгардт, понесла большие потери. Так, в 6-й танковой дивизии, располагавшей 10 октября свыше 200 танками, 16 октября осталось всего 60 готовых к использованию боевых машин, а всего в танковой группе — 259 танков.

17 октября для прикрытия столицы с северо-запада Ставка на базе войск 22-й, 29-й, 30-й и 31-й армий создала Калининский фронт во главе с генералом Коневым. Нависая с севера над группой армий «Центр», войска фронта вынудили германское командование выделить крупные силы для прикрытия левого фланга, что привело к ослаблению наступавшей на Москву главной группировки.

13–18 октября ожесточенные бои разгорелись на московском направлении. Попытка немцев прорваться с запада через Волоколамск не увенчалась успехом. Здесь впервые советскими войсками была применена система глубоко эшелонированной противотанковой обороны. Она состояла из противотанковых пунктов и районов, построенных на танкоопасных направлениях на глубину 20–25 км. Для борьбы с танками привлекались все артиллерийские системы, в том числе зенитные орудия и реактивные минометы, были созданы подвижные отряды саперов с минами и подрывными зарядами. Огонь артиллерии массировался на наиболее опасных направлениях, что позволило на время задержать танки противника.

Заметное место в арсенале Красной Армии заняли в этот период зажигательные средства. Прежде всего, это легендарные бутылки с «коктейлем Молотова». Несмотря на чрезвычайную простоту устройства и небезопасность в эксплуатации, они, в условиях дефицита средств, оказались довольно эффективным противотанковым оружием. На вооружении РККА состояли два вида зажигательных бутылок: с самовоспламеняющейся жидкостью КС, разработанной еще до войны, представлявшей собой сплав фосфора и серы, и с горючими смесями №-1 и 3 — автомобильный бензин с отверждаюшим порошком. Причем бутылки с горючей смесью КС применяли не только как оружие ближнего боя. На танкоопасных направлениях под Москвой, помимо минных полей, устраивались «бутылочные поля». Для борьбы с атакующей пехотой противника устраивали из зажигательных бутылок огневые заграждения — так называемые «миноогнефугасы» — ямы, отрытые перед передним краем, в которые укладывали по 20 зажигательных бутылок и небольшие заряды ВВ. Подорванный взрывателем натяжного или нажимного действия, огнефугас давал столб огня высотой до 8 метров, поражая горящей жидкостью площадь около 300 квадратных метров.

Широкое применение получили огнеметы, термитно-сегментные артснаряды, зажигательные ампулы. В те дни, когда немецкие танки рвались к Москве и когда в дело шли любые средства, чтобы их остановить, были разработаны «огневые мешки». Это были клеенчатые бензостойкие мешки вместимостью 30 литров, которые прямо на аэродромах заполняли вязкой огнесмесью, а затем сбрасывали их вручную с малых высот, используя самолеты У-2.

Основные силы группы армий «Центр» еще были скованы окруженными в районе Вязьмы советскими частями, а брошенные для преследования передовые части оказались слишком слабы, чтобы прорвать новую линию обороны. 15 октября командующий 4-й армией фон Клюге, оценивая обстановку, констатировал, что «психологически на Восточном фронте сложилось критическое положение, ибо, с одной стороны, войска оказались в морозную погоду без зимнего обмундирования и теплых квартир, а с другой — непроходимая местность и упорство, с которым противник обороняется, прикрывая свои коммуникации и районы расквартирования, чрезвычайно затрудняют продвижение наших, пока еще слабых, передовых частей».

Бок в своем дневнике вынужден был признать, что преследование не имело успеха, на который он рассчитывал. «В общей сложности все это можно оценить только как ничто. Расчленение боевых порядков группы армий и ужасная погода привели к тому, что мы сидим на месте. А русские выигрывают время для того, чтобы пополнить свои разгромленные дивизии и укрепить оборону, тем более что под Москвой в их руках масса железных и шоссейных дорог. Это очень скверно!»

23 октября немцы возобновили наступление в полосе 16-й армии и 27-го числа взяли Волоколамск. Удержать город советским войскам не удалось не из-за значительного превосходства противника в людях и технике, а вследствие неумелых действий командования. Генерал Панфилов поставил на наиболее угрожаемое направление не самый боеспособный, а самый слабый из полков дивизии, который еще не закончил формирования. А Рокоссовский не использовал для подкрепления панфиловцев кавкорпус Доватора, находившийся на пассивном участке фронта. Кроме того, в этих боях 16-я армия оставила немцам 62 из 125 полевых и 60 из 73 противотанковых орудий только потому, что пехота не прикрывала толком артиллерию.

Как отмечал начальник артиллерии армии генерал-майор В.И. Казаков, в ходе боевых действий на волоколамском направлении «артиллерия совершенно не имела потерь от танков и имела совершенно незначительные потери от авиации противника… как в личном составе, так и в материальной части до тех пор, пока не понесла тяжелых потерь от пехоты и автоматчиков противника, зашедших на фланги и в тыл боевых порядков артиллерии. При нормальном наличии нашей пехоты для прикрытия орудий артиллерия не имела бы таких тяжелых потерь, а противник имел бы большие потери в танках и пехоте…»

Особо ожесточенные бои развернулись на можайском направлении, которое обороняла 5-я армия. Основную тяжесть боев здесь вынесла 32-я дивизия полковника В.И. Полосухина, занявшая позиции на западных подступах к городу в районе Бородинского поля. Дивизию поддерживали 18-я, 19-я и 20-я танковые бригады, имевшие еще в общей сложности 53 машины. Они четверо суток сдерживали 40-й мотокорпус генерала Штумме, но 16 октября немцы глубоко охватили фланги и вышли в тылы дивизии. Дело дошло до рукопашной схватки в расположении командного пункта армии, в ходе которой был ранен генерал Лелюшенко. «Под Бородином полки мотопехотной дивизии СС «Рейх» и «бригады Гауэншильда» из состава 10-й танковой дивизии впервые померились силами с сибиряками… — пишет немецкий историк. — Сибиряки располагали сильными частями ПВО и противотанковыми пушками, но самое главное — имели на вооружении большое количество 76-мм многоцелевых орудий. Они сражались стойко. Никогда не впадали в панику — не сдавали ни пяди земли без ожесточенной драки. Они убивали и умирали. Битва шла не на жизнь, а на смерть… Ад полыхал на земле. Потери оказывались огромными, вплоть до того, что 3-й пехотный полк мотопехотной дивизии СС «Рейх» пришлось расформировать. Командир дивизии генерал Хауссер получил тяжелое ранение. Ряд за рядом покрывали землю уже не способные сражаться солдаты — танкисты в черных комбинезонах, гренадеры в рваной полевой форме и военнослужащие войск СС в полевом камуфляже. Мертвые, тяжело раненные, обожженные или забитые до смерти. С обеих сторон воюющие зверели — все забыли слово «пощада».