В соответствии с принятыми в Красной Армии принципами ведения операций в первый день в бой пошли пехотинцы, задачей которых было взломать фронт обороны немцев и открыть дорогу вглубь 3-му механизированному корпусу. Артиллерийская подготовка атаки началась в 7.30 25 ноября. Через полтора часа пехотинцы 238-й стрелковой дивизии полковника И.В.Карпова и 185-й стрелковой дивизии полковника М.Ф.Андрющенко поднялись в атаку. Во второй половине дня к стрелковым дивизиям присоединились танковые бригады корпуса М.Е.Катукова. В отличие от мясорубки в полосе наступления 20-й армии прорыв фронта в долине Лучесы произошел уже в первый день операции: оборона на правом фланге 86-й пехотной дивизии была прорвана. Севернее Белого образовалась 4-километровая брешь, в которую двинулись ничем пока не сдерживаемые две стрелковые дивизии и 3-й механизированный корпус 22-й армии В.А.Юшкевича.

Реакция штаба 9-й армии на возникший кризис была типичной для парирования наступлений Калининского фронта: в район прорыва спешно выбрасывались боевые группы подвижных соединений. Уже вечером 25 ноября по тревоге был поднят батальон мотопехоты моторизованной дивизии «Великая Германия», который выдвинулся в долину Лучесы и перегородил ее в районе деревни Старухи. Наступление 22-й армии в засыпанном снегом лесу и долине реки развивалось крайне медленно.

Проигрыш в темпе продвижения играл на руку немцам. Участок прорыва был выявлен, и вскоре помимо подвижных резервов в бой вступили отдельные батальоны и полки, изъятые из состава пехотных дивизий на неатакованных участках Ржевского выступа. Причем, поскольку направление удара определилось, появилась возможность изымать части из растянутых по фронту соединений: возможность удара по ним теперь была более чем призрачной. Первым прибыл батальон из соседней, растянутой по фронту на 30 км, 110-й пехотной дивизии. Затем в долину Лучесы были направлены по батальону из 253-й и 216-й пехотных дивизий. Против наступающих советских войск выстраивался заслон из частей четырех различных соединений. После двух дней неуспешных попыток пробиться вперед вдоль Лучесы вечером 27 ноября командующий 22-й армией решил перенести направление главного удара южнее. 49-я танковая бригада корпуса М.Е.Катукова рокировалась на правый фланг наступления.

Несмотря на то что в ходе ночной перегруппировки советские танковые части потратили много времени на блуждания в лесу, смещение акцентов наступления принесло положительный результат. Во второй половине дня 28 ноября 49-я танковая и 10-я механизированная бригады прорвали оборону немецких резервов и двинулись на восток, к шоссе Оленино — Белый. Немцам удалось избежать катастрофы только благодаря прибытию боевой группы Келлера (два оставшихся батальона гренадерского полка моторизованной дивизии «Великая Германия»). Она заняла оборону на пути наступающих советских войск и остановила их продвижение. В разгоревшемся на следующий день сражении рокированные Юшкевичем на правый фланг части сумели оттеснить Келлера еще дальше и к вечеру стояли всего в 8 км от желанного шоссе. Разрыв в построении немецких войск, измеряемый между группой Келлера и загнутым флангом 86-й пехотной дивизии, составил уже 12 км. 30 ноября бои продолжились с прежним ожесточением. Наступающим противостоял уже полный полк «Великой Германии» и два батальона (две трети полка) двух пехотных дивизий. Для восстановления численности обороняющихся «прочесывались» тылы, на выручку группе Келлера бросили дивизион САУ StuGIII. Обе стороны понесли большие потери. Из 270 танков 3-го механизированного корпуса уже почти половина превратилась в обездвиженные обугленные остовы на изрытых воронками берегах Лучесы.

Сражение перешло в фазу борьбы на измор. В резерве у Юшкевича еще оставались свежий танковый полк (30 танков) и стрелковая бригада. С их помощью он рассчитывал добить переброшенные немцами резервы и прорваться к шоссе. Вновь была предпринята перегруппировка 49-й танковой бригады: основной идеей наступления было использование открытого фланга обороняющихся. Юшкевич планировал отбросить его к северу и открыть своим войскам путь к шоссе. Весомость атаке должны были придать свежие 39-й отдельный танковый полк майора А.Ф.Бурды и 114-я стрелковая бригада.

1 декабря стало, по мнению немцев, самым тяжелым днем битвы в долине Лучесы. Сильная метель мешала советской артиллерии, но одновременно лишала немцев возможности использовать самое маневренное средство борьбы — авиацию. Ход с обходом «висящего в воздухе» фланга удался, и наступающие продвинулись к шоссе еще на четыре километра, одновременно расширив прорыв к северу. Группа Келлера была отброшена на северо-восток, ее командир был смертельно ранен. Для парирования кризиса к Лучесе были отправлены еще один батальон 253-й пехотной дивизии из XXIII корпуса и батальон САУ StuGIII «Великой Германии» из района Белого. На следующий день продвижение советской пехоты и танков к шоссе продолжилось, и оно оказалось на дистанции, позволяющей вести минометный обстрел, — всего два километра. Расширение прорыва позволило Юшкевичу высвободить дополнительные силы, рокировать их на правый фланг ударной группы 22-й армии и повторить успешный маневр по давлению на открытый фланг. Теперь немцы уже «чувствовали спинами» шоссе Оленино — Белый. Однако этот результат дорого обошелся 22-й армии: из 270 танков 200 уже были потеряны, потери в стрелковых соединениях достигали 60 % численности. Юшкевич решил пойти ва-банк и изъял из состава 155-й стрелковой дивизии один полк с задачей вновь обойти открытый фланг немцев при поддержке остатков танков корпуса М.Е.Катукова. Перегруппировка войск должна была занять несколько дней, и начало очередной фазы наступление было назначено на 9.00 7 декабря.

Тем временем наступило затишье в районе Сычевки: 20-я армия производила перегруппировку сил и восстановление подбитых танков. Это позволило немцам перебросить к Лучесе тот последний батальон, который решает судьбу сражения. В роли последней соломинки выступила «пожарная команда 9-й армии» — боевая группа Беккера, уже показавшая себя с лучшей стороны в сражении на Вазузе. Группа Беккера была усилена 2-м мотоциклетным батальоном 2-й танковой дивизии, дивизионом артиллерии «Великой Германии», 3 танками и 2 самоходными орудиями. Начатая 4 декабря переброска осуществлялась частично по железной дороге, частично автотранспортом дивизии «Великая Германия». Уже ранним утром 6 декабря группа Беккера заняла исходное положение для контрудара. Они опередили советское наступление ровно на сутки. Предпринятая группой Беккера контратака оказалась совершенно неожиданной и нарушила подготовку советского наступления. Юшкевич все же решил не менять своих планов, и утром 7 декабря 22-я армия попыталась реализовать задуманный ранее маневр, но натолкнулась на усилившуюся оборону противника и, потеряв остатки танков, остановилась. Попытки вернуть инициативу в последующие дни успехом не увенчались, и 12 декабря Юшкевич получил приказ вывести 3-й механизированный корпус из боя для отдыха и пополнения. За неудачу наступления он поплатился своей должностью: его место во главе 22-й армии занял генерал-майор М.Д.Селезнев. Одновременно была выведена из боя и направлена в район Молодой Туд боевая группа Беккера. Ее место должны были занять куда более сильные резервы, высвободившиеся после ликвидации «котла» южнее Белого. Это была группа фон дер Медена 1-й танковой дивизии, группа Прауна 129-й пехотной дивизии, 12-я и 20-я танковые дивизии. Однако срезать вбитый в немецкую оборону клин не получилось. Окружавшие долину Лучесы леса, ранее замедлявшие наступление 22-й армии, теперь мешали контратаке крупных сил пехоты и танков немцев. Попытки в 20-х числах декабря пробиться на запад вдоль долины Лучесы, повторяя маршрут советского наступления, также потерпели фиаско. 1 января Модель приказал прекратить атаки против выступа в районе Лучесы. Вытянувшийся к шоссе Оленино — Белый «аппендикс», заставленный остовами танков и орудий, вплоть до эвакуации 9-й армии из Ржевского выступа был своего рода памятником сложностям в наступлении на закрытой местности.