Менее внушительно выглядит 4-я армия генерал-лейтенанта В. Ф. Яковлева. Она обороняла рубеж шириной более 50 км южнее полосы 54-й армии. В состав армии входили: 27-я кавалерийская, 285-я, 311-я и 292-я стрелковые дивизии, 119-й отдельный танковый батальон, один корпусной артиллерийский полк и один инженерный понтонный батальон. Укомплектованность частей и соединений армии была примерно такой же, как и в 54-й армии. Средняя оперативная плотность составляла 12—13 км на дивизию. В октябре войска армии на правом фланге вели бои по улучшению своих позиций. Оперативное построение армии было одноэшелонным. В резерве командующего армией имелся один стрелковый полк. Одноэшелонное построение со слабым резервом следует оценить как ошибку командующего армией, не оправданную с оперативной точки зрения. Наличие в полосе обороны армии крупной водной преграды позволяло растянуть боевые порядки первого эшелона и выделить в резерв или на вторую полосу обороны по крайней мере одну дивизию.

Самой слабой была 52-я армия. Она обороняла в полосе шириной 80 км по правому берегу р. Волхов. В состав армии входили две стрелковые (288-я и 267-я) дивизии, четыре корпусных артиллерийских полка и один артиллерийско-противотанковый полк. Средняя укомплектованность стрелковых дивизий не превышала 6 тыс. человек. Дивизии армии оборонялись на широком фронте. Ширина полосы обороны 288-й стрелковой дивизии составляла 46 км, а 267-й стрелковой дивизии — 34 км. Резервы в армии отсутствовали.

Наконец Новгородская армейская группа в составе 305-й, 180-й стрелковых, 43-й танковой (без танков) дивизий обороняла рубеж по правому берегу р. Волхов до озера Ильмень протяжённостью 30 км.

Мы видим, что 70% всех сил Красной армии, находящихся южнее Ладожского озера, были сосредоточены в полосе 54-й армии, готовившейся к наступательной операции с целью деблокады Ленинграда. В полосах же обороны 4-й и 52-й армий на фронте 130 км оборонялось всего лишь пять стрелковых и одна кавалерийская дивизии, один танковый батальон, пять корпусных артиллерийских полков и один артиллерийско-противотанковый полк. Такое построение возникло вследствие того, что в начале октября из 4-й и 52-й армий были сняты соединения, впоследствии сыгравшие важную роль в начальной фазе битвы за Москву: 32-я, 312-я и 316-я стрелковые дивизии и 9-я танковая бригада. Свою устойчивость советские войска могли бы обеспечить созданием кризиса своими наступательными действиями, но, начав наступление 16 октября, войска 16-й немецкой армии упредили наступление войск Ленинградского фронта на четыре дня. Наступление XXXIX моторизованного и I армейского корпусов началось против ослабленных за счёт отправки части сил на московское направление войск 52-й армии.

К 20 октября оборона 52-й армии оказалась прорванной. Две дивизии 52-й армии, под ударом во много раз превосходивших сил противника, были вынуждены оставить рубеж по правому берегу р. Волхов и отходить в восточном и юго-восточном направлениях. Между 4-й и 52-й армиями образовался разрыв. 24 октября 126-я пехотная дивизия заняла город Малая Вишера, обеспечив защиту фланга XXXIX корпуса с юга.

Несмотря на начавшееся наступление противника, советское командование не отказалось от попытки прорвать блокаду Ленинграда. 20 октября 1941 г. началась так называемая Синявинская операция войск Ленинградского фронта. Вскоре в связи с угрозой Тихвину задействованные в операции дивизии пришлось использовать для усиления войск 4-й и 52-й армий. По указанию Ставки ВГК 310-я и 4-я гвардейская стрелковые дивизии 54-й армии Ленинградского фронта были переброшены в 4-ю армию для прикрытия волховского и тихвинского направлений.

Две армии на Волхове стали донором сил для занятия Можайской линии обороны в один из самых напряжённых моментов битвы за Москву. Когда над этими армиями возникла угроза гибели, Ставка ВГК всё же смогла усилить 54-ю, 4-ю и 52-ю армии, как за счёт своих резервов, так и за счёт манёвра силами и средствами с других участков фронта. Во второй половине октября и первой половине ноября Ставка ВГК направила на усиление этих армий 65-ю (из состава Забайкальского фронта), 92-ю (из состава Дальневосточного фронта), 259-ю (из 34-й армии Северо-Западного фронта) стрелковые дивизии и 60-ю танковую дивизию. Последняя была «родной сестрой» 58-й танковой дивизии, судьба которой весьма драматично сложилась в ноябрьских боях под Москвой. И 58-я, и 60-я танковые дивизии входили в состав 30-го механизированного корпуса, расформированного в июле 1941 г. Дивизия была переформирована по июльскому штату, предусматривавшему 217 танков. Дислоцировалось соединение в Биробиджане. 12 октября 1941 г. 60-я танковая дивизия получила приказ об отправке соединения на запад. Станцией назначения была Москва. В пути следования эшелоны с дивизией были перенацелены на северо-запад, в состав 4-й армии. Прибыла на ст. Тихвин 60-я танковая дивизия 29 октября 1941 г. На 1 ноября 1941 г. дивизия насчитывала 6044 человека личного состава и 179 танков (13 БТ-7, 139 Т-26, 25 «химических» танков и 2 Т-37), 31 бронеавтомобиль. Помимо соединений, прибывающих под Тихвин из других армий и фронтов, в 4-й армии было импровизированное соединение, созданное за счёт пополнений, поступавших централизованным порядком, собственных ресурсов армии и местных активистов. Была сформирована стрелковая бригада, названная «Гренадерской» из-за того, что большая часть её подразделений вследствие нехватки стрелкового оружия вначале была вооружена только гранатами. Командиром бригады был назначен генерал Г. Т. Тимофеев, служивший во время Первой мировой войны в гренадерском полку.

Катастрофическое развитие ситуации на тихвинском направлении и разразившийся на московском направлении «Тайфун» вынудили пойти на крайние меры и снять часть войск непосредственно с Ленинградского фронта. Из состава фронта были переброшены на самолётах 191-я и 44-я стрелковые дивизии. К концу октября в район Тихвина также прибыла из резерва Ставки 92-я стрелковая дивизия и почти одновременно с ней выгрузилась 60-я танковая дивизия. На усиление 52-й армии из состава Северо-Западного фронта ещё 20 октября была направлена 259-я стрелковая дивизия и дивизион «катюш».

К началу ноября в 4-й армии была создана группировка для контрудара. Командующий 4-й армией сосредоточил около двух дивизий (191-я стрелковая дивизия, стрелковый полк 44-й стрелковой дивизии и танковый полк 60-й танковой дивизии) в районе Ситомля и около двух дивизий (4-я гвардейская стрелковая дивизия и основные силы 60-й танковой дивизии) в районе западнее Верхнее Заозёрье. Этими силами 1 ноября была предпринята попытка нанести контрудар в общем направлении на Будогощь — Грузино с задачей разгрома ударной группировки противника и восстановления обороны на рубеже р. Волхов. Однако недостаток дорог для прохождения крупной массы техники и загрузка существующих тылами стрелковых соединений не позволили протолкнуть к передовой 60-ю танковую дивизию. В течение четырехдневных напряжённых боёв войска 4-й армии пытались преодолеть упорное сопротивление танковых и моторизованных частей противника, но, не имея поддержки танков и понеся большие потери, так и не добились успеха.

Отразив контрудар войск 4-й армии в районе Ситомля, противник 5 ноября возобновил наступление на тихвинском направлении. 191-я стрелковая дивизия 4-й армии, прикрывавшая дорогу на Тихвин, не смогла сдержать удара трёх немецких дивизий и стала отходить в восточном направлении. Попытка ввести 60-ю танковую дивизию на фланге немецкого танкового клина, нацеленного на Тихвин на левом фланге 4-й армии, в полосе 92-й стрелковой дивизии, также не увенчалась успехом — протолкнуть крупное соединение по одной работающий в напряжённом режиме дороге не удалось.