Задачи, определенные директивой № 151141, во многом совпадали с замыслами Жукова. Ведь он еще 6 января приказал командующему 20-й армией утром 9 января перейти в наступление, прорвать оборону противника, овладеть Шаховской и в дальнейшем продвигаться на Гжатск. После получения директивы Ставки ВГК Георгий Константинович ставит 8 января перед войсками 43, 49 и 50-й армий задачу не позднее 11 января окружить и разгромить кондровско-юхновско-медынскую группировку противника и развить наступление в северо-западном направлении с целью окружения и полного разгрома можайско-гжатско-вяземской группировки противника. 33-я армия должна была нанести главный удар в направлении Никольское, Ваулино, Ельня, в обход Можайска с запада, а группа войск генерала Белова во взаимодействии с правофланговыми частями 10-й армии — уничтожить 9–10 января мосальскую группировку противника, имея последующей задачей удар на Вязьму.

Замысел Ржевско-Вяземской стратегической наступательной операции состоял в том, чтобы охватывающими ударами войск Калининского фронта (22, 39, 29, 31 и 30-я армии, 11-й кавалерийский корпус, ВВС фронта) из района северо-западнее Ржева на Сычевку, Вязьму и войск левого крыла Западного фронта (1-я ударная, 20, 16, 5, 33, 43, 49, 50, 10-я армии, 1 и 2-й гвардейские кавалерийские корпуса, ВВС фронта) из района Калуги в направлении Юхнов, Вязьма с одновременным наступлением остальных сил Западного фронта на Сычевку и Гжатск окружить, расчленить и уничтожить основные силы группы армий «Центр» (9 и 4-я полевые, 3 и 4-я танковые армии; командующий генерал-фельдмаршал Г. фон Клюге). Для содействия войскам Калининского и Западного фронтов Северо-Западный фронт должен был армиями левого крыла наступать из района Осташкова в направлении Торопец, Велиж, Рудня. Брянский фронт получил задачу сковать активными действиями на брянском и орловском направлениях находившиеся здесь войска противника и тем самым обеспечить с юга наступление войск Западного фронта. Для завершения окружения противника предусматривалась высадка 4-го воздушно-десантного корпуса в район юго-западнее Вязьмы с задачей перерезать железную и шоссейную дороги Вязьма — Смоленск.

Ржевско-Вяземская операция готовилась и развертывалась без оперативной паузы в ходе выполнения войсками фронтов задач контрнаступления под Москвой. По данным «Военной энциклопедии», советские войска насчитывали 688 тыс. человек, 10 900 орудий и минометов, 474 танка, а противник — около 625 тыс. человек, до 11 тыс. орудий и минометов и 354 танка. Эти данные свидетельствуют о том, что советские имели незначительное превосходство в живой силе, в 1,3 раза больше танков и равное с противником количество орудий и минометов.

В рамках операции были проведены Сычевско-Вяземская (Калининский фронт), Можайско-Вяземская (Западный фронт), Вяземская воздушно-десантная (4-й воздушно-десантный корпус, 201-я воздушно-десантная бригада 5-го воздушно-десантного корпуса и 250-й отдельный стрелковый полк) и Ржевская (Калининский фронт) фронтовые наступательные операции.

Первыми в наступление 8 января перешли войска Калининского фронта, левого крыла и центра Западного фронта, а 10 января — армии правого крыла Западного фронта. В результате ожесточенных боев с 8 по 15 января 39-я армия (генерал-лейтенант И. И. Масленников) Калининского фронта вышла в районы западнее и юго-западнее Ржева, а левофланговые армии Западного фронта (43, 49 и 50-я армии) — в район Юхнова. Здесь они были вынуждены перейти к обороне на рубежах, удаленных на 70–75 км к северу и юго-востоку от Вязьмы. Использовать создавшиеся благоприятные условия для окружения ржевско-вяземской группировки противника им не удалось. Пополнения не дождались, и мощь ударных группировок оказалась утраченной.

На правом крыле Западного фронта Жуков смог в полной мере использовать выгодное оперативное положение 20-й армии, которая имела плацдарм на западном берегу р. Лама и должна была наступать вдоль Волоколамского шоссе, что позволяло успешно решать в ходе наступления вопросы маневра и подвоза материальных средств — ведь зима стояла снежная. Здесь командующий фронтом создал ударную группу, усилив ее кавалерийскими, стрелковыми и лыжными соединениями, частями и подразделениями, артиллерией и танками из состава 1-й ударной и 16-й армий. Пожалуй, впервые за всю войну на участке прорыва обороны противника удалось создать высокую плотность войск и в несколько раз превзойти неприятеля в силах и средствах. И все это было сделано без резервов, собственными силами, за счет привлечения сил с других направлений Западного фронта.

Несмотря на сильную метель, после полуторачасовой артиллерийской подготовки войска ударной группы Западного фронта 10 января перешли в наступление. Плохие метеоусловия не позволили применить авиацию, но не было и авиации противника. Передний край обороны был прорван сравнительно быстро, но далее из каждого населенного пункта приходилось выбивать противника только неоднократными атаками. К исходу дня войска 20-й армии продвинулись на главном направлении всего на 2–3 км. На направлении наступления 1-й ударной и 16-й армий успех был еще более скромным. 56-я стрелковая бригада 1-й ударной армии овладела лишь первой траншеей, атаки 2-й гвардейской стрелковой бригады были отражены сильным огнем противника.

11 января части 20-й армии продолжали отражать многочисленные контратаки врага и имели незначительное продвижение. На следующий день с вводом в сражение вторых эшелонов 20-я армия завершила прорыв главной полосы обороны противника и продвинулась за день до 5 км. В полосе наступления 1-й ударной армии 56-я, 2-я гвардейская и 44-я стрелковые бригады после упорных атак выбили противника из Гусево и из сильно укрепленного опорного пункта Спас-Помазкино.

Жуков в целях развития прорыва ввел с утра 13 января в сражение в полосе наступления 20-й армии 2-й гвардейский кавалерийский корпус с 22-й отдельной танковой бригадой и пятью лыжными батальонами. В свою очередь командование 3-й немецкой танковой армии предприняло частями 23-й пехотной дивизии и 900-й бригады СС ряд сильных контратак по левому флангу 1-й ударной армии, стремясь выйти на фланг и в тыл ударной группировки 20-й армии и восстановить утраченное положение. Однако решить эту задачу противнику не удалось.

Командующий группой армий «Центр» фон Клюге в своем докладе начальнику Генерального штаба Сухопутных войск от 14 января отмечал:

«Задачей группы армий является непременное удержание теперешней линии фронта и ликвидация глубоких прорывов, прежде всего, западнее Сухиничи и западнее Ржев.

В связи с развитием обстановки на фронте и особенно в связи с катастрофическим положением в области снабжения я не в состоянии выполнить эту задачу.

Чрезвычайная растянутость фронта, несмотря на все попытки, не позволяет высвободить достаточное количество сил в целях наступления. Все мероприятия на самом фронте, а также ввод в бой резервов нигде не имели решительного успеха. Лишь немедленный и планомерный отход на более короткую линию (как уже неоднократно требовалось) даст возможность сэкономить силы, столь необходимые для успешного наступления в районе Ржев. Прохождение этой сокращенной линии представляется мне в общих чертах следующим образом: 2-я армия и 2-я танковая армия по-прежнему южнее и западнее Сухиничи в зависимости от дальнейшего развития обстановки — Юхнов, восточнее Гжатск, Погорелое Городище, севернее Ржев, оз. Желанье».