Калининскому фронту предстояло нанести удар с фронта Ново-Семеновское, Плотниково в общем направлении на Полунино, Ржев с задачей «прорвать фронт обороны и, обеспечивая себя справа наступлением трех стр. дивизий и слева не менее двух стр. дивизий, главными силами овладеть городом Ржев, переправами через р. Волга и железнодорожным узлом». В дальнейшем предписывалось нанести удар в восточном направлении с целью совместно с 29-й армией окончательно очистить от противника северный берег р. Волга. Вспомогательный удар следовало нанести левым флангом 29-й армии вдоль северного берега р. Волга в общем направлении на Зубцов.

На усиление Калининского фронта перебрасывались 5 стрелковых дивизий, 6 танковых бригад, 6 артиллерийских полков и 10 дивизионов реактивных минометов М-30, а Западного фронта — одна стрелковая дивизия, 6 танковых бригад, 16 дивизионов М-30 и 2-й гвардейский кавалерийский корпус. Командующему ВВС Красной Армии предписывалось привлечь для участия в операции не менее 1100 самолетов, в том числе 600 истребителей.

Войска Западного (20, 31, 1-я воздушная армии) и Калининского (29, 30, 3-я воздушная армии) фронтов насчитывали к началу операции 345,1 тыс. человек. Им предстояло ликвидировать ржевско-вяземский выступ, который образовался в результате Ржевско-Вяземской стратегической наступательной операции. В германской историографии этот выступ именуется как «ржевский выступ», «ржевская дуга», «ржевско-вяземский плацдарм». Размеры выступа составляли до 160 км в глубину и до 200 км по фронту (у основания). Линия фронта в районе выступа проходила западнее Белого, севернее и восточнее Ржева, западнее Юхнова, восточнее Спас-Деменска. Противник придавал особое значение удержанию выступа, рассматривая его как плацдарм для наступления на Москву. Здесь было сосредоточено около 2/3 войск группы армии «Центр» в составе 9-й и основных сил 3-й танковой и 4-й армии. Для удержания ржевско-вяземского плацдарма противник с конца декабря 1941 г. стал создавать мощную, глубоко эшелонированную оборону. Советские войска, занимавшие охватывающее положение по отношению к ржевско-вяземской группировке противника, создавали постоянную угрозу удара по ее флангам и последующего окружения.

Генеральный штаб Сухопутных войск Германии, как отмечал генерал Гальдер в своем дневнике 23 июля, предполагал, что советские войска готовят новые удары против группы армий «Центр». Однако до 30 июля он фиксировал, что на фронте группы армий никаких существенных событий не происходит.

30 июля после мощной артиллерийской подготовки в наступление перешли 30-я (генерал-майор Д. Д. Лелюшенко) и 29-я (генерал-майор В. И. Швецов) армии Калининского фронта. К исходу дня части 30-й армии прорвали вражескую оборону на стыке 87 и 256 пехотных дивизий на участке 9 км и на глубину 6–7 км. Наступление велось в сложных условиях: шли проливные дожди, дороги развезло, множество маленьких речушек превратились в широкие и бурные реки. Командир 6-го армейского корпуса направил все, что имел под рукой, для закрытия образовавшейся бреши. Командующий 9-й армией генерал-полковник Модель перебросил туда войска с других участков, в том числе 6-ю пехотную дивизию генерала Гроссмана. Войска 30-й армии втянулись в ожесточенные бои в районе деревни Полунино севернее Ржева, и наступление было приостановлено. Соединения 29-й армии не сумели прорвать оборону противника, так как «ввиду сильно размокшего грунта после проливных дождей танки застряли, а пехота залегла».

Наступление войск Западного фронта началось 4 августа после полуторачасовой артиллерийской подготовки. Они форсировали р. Держа, прорвались через сильно укрепленные рубежи немецких войск и к исходу следующего дня расширили прорыв до 30 км по фронту и продвинулись до 25 км в глубину. Успех советских войск вызвал тревогу у генерала Гальдера. 4 августа он отмечал в своем военном дневнике: «Противнику удалось добиться глубокого прорыва на фронте 9-й армии (кажется, наступают семь дивизий и одна танковая бригада при усиленной поддержке артиллерии) в направлении Зубцова. Против них брошены соединения 39-го корпуса в составе 5, 2, 1-й танковых и 102-й дивизий. На фронте 9-й армии у Ржева отбито несколько крупных атак».

Успех, достигнутый войсками Западного фронта, надо было развить. Для этого требовались согласованные действия войск двух фронтов — Западного и Калининского. Однако Жуков, после ликвидации должности главкома Западного направления, лишен был возможности влиять на своего соседа. Сталин, стремясь исправить свою ошибку, принял решение возложить на Жукова руководство всеми операциями в районе Ржева. В директиве Ставки ВГК от 5 августа командующему Калининским фронтом генерал-полковнику Коневу предписывалось «немедленно прибыть к тов. Жукову за получением личных указаний и распоряжений от генерала армии тов. Жукова по дальнейшему ведению операций».

Жуков, обсудив вместе с Коневым обстановку, представил 6 августа Сталину план операции по разгрому противника в районе Ржева. Предлагалось прекратить наступательные действия в полосе 29-й армии в районе Карлово, Батюково. Из этой группировки перебросить три артиллерийских полка и две стрелковые дивизии на направление главного удара. В связи с большим количеством соединений, действующих в составе 30-й армии, передать ее участок от Кулаково до Ильино 39-й армии. На 30-ю армию планировалось возложить только организацию и проведение операции по захвату Ржева. Ее предлагалось провести следующим образом:

«30-я армия главный удар наносит на своем левом фланге, охватывая Ржев с северо-востока, южнее жел. дороги. Для обеспечения себя с востока армия разворачивает часть сил на восток и юго-восток с ближайшей задачей овладеть районом Находов, Гляденово и далее вдоль желдороги. Вспомогательный удар 30-я армия наносит на Добрую и далее на Ржев.

31-я армия Западного фронта после овладения районом Зубцова силами не менее 2–3 сд, трех тбр с артполками усиления наносит удар в северо-западном направлении вдоль шоссе Зубцов — Ржев. Остальные силы 31-й армии наступают южнее, с выходом на желдорогу Ржев — Сычевка, после захвата которой частью сил наносят удар с юго-запада, с выходом в район Ржев, Хорошево, Абрамково».

Для обеспечения действий наземных войск намечалось привлечь авиацию обоих фронтов и авиацию дальнего действия. В целях достижения одновременности удара 30 и 31-й армий переход в наступление предусматривалось осуществить 8 августа.

Группировку противника, действующую севернее Зубцова и против 29-й армии, планировалось уничтожить только после захвата Ржева. С целью обеспечения удара со стороны Зубцова войскам 31-й армии предстояло захватить и удержать плацдарм севернее Волги в районе Зубцова. На проведение операции 30-й армии Жуков просил отпустить из ресурсов Ставки дополнительно 2 боекомплекта снарядов.

Сталин утвердил предложения Жукова, подчеркнув необходимость захвата Ржева «силами 30-й армии с севера и 31-й армии с юга 9 августа».

Жуков, реализуя свой план, ввел в сражение 6 августа на сычевском направлении фронтовую подвижную группу в составе 6-го и 8-го танковых и 2-го гвардейского кавалерийского корпусов. Это был своевременный шаг, так как командование группы армий «Центр» укрепило 9-ю армию тремя танковыми и двумя пехотными дивизиями и предприняло контрудар в общем направлении на Погорелое Городище. Генерал К. Типпельскирх отмечал: «Прорыв удалось предотвратить только тем, что три танковые и несколько пехотных дивизий, которые уже готовились к переброске на южный фронт, были задержаны и введены сначала для локализации прорыва, а затем и для контрудара».