После анализа возможных вариантов действий генерал К. Н. Галицкий решил окружить великолукскую группировку противника двойным охватом с последующим уничтожением по частям. Главный удар планировалось нанести южнее Великих Лук на Петрушино, а второй — севернее города. Вскоре выяснилось, что это решение не согласуется с намерениями Ставки ВГК.

Отклонил его Жуков, прибывший 19 ноября в штаб армии в сопровождении командующего Калининским фронтом генерала М. А. Пуркаева. Георгий Константинович отметил, что боевые действия армии органически связаны с операциями войск фронта и в целом всех вооруженных сил. Один план, даже глубоко продуманный, не в состоянии внезапно, коренным образом изменить обстановку. Поэтому главное в операции армии — ее роль и значение в оперативном и стратегическом масштабах. Все удары должны обеспечивать начавшееся 19 ноября контрнаступление под Сталинградом, сковывать резервы врага. Отсюда вытекает и задача 3-й ударной армии в предстоящих действиях на великолукском направлении — притянуть на себя силы противника. Задача будет считаться выполненной, независимо от того, будут заняты или нет Новосокольники, если противник не сможет снять с участка армии силы для переброски на юг.

Затем Жуков внес в план некоторые поправки. «По нашему замыслу 5-й гвардейский корпус имел задачу: выйдя на рубеж Меленка, Остриань, озеро Дергановское, частью сил прикрыться со стороны города Новосокольники, обеспечив тем самым наступление 1-го механизированного корпуса, — вспоминал генерал Г. Г. Семенов. — Основными силами гвардейский корпус вместе с 257-й дивизией должен был овладеть городом Великие Луки. Однако генерал Жуков предложил нацелить на Великие Луки только правофланговую дивизию корпуса, а остальные — 9 и 46-ю — после выхода на рубеж ближайшей задачи подготовить для наступления на Новосокольники. Кроме того, Жуков посоветовал поставить 21-ю гвардейскую дивизию в первый эшелон армии, чтобы она наступала южнее 5-го гвардейского стрелкового корпуса. По прежнему плану эта дивизия, будучи в резерве, занимала оборону за левым флангом армии и подготавливала контратаки в нескольких направлениях. Ввод 21-й дивизии в первый эшелон расширял участок прорыва и увеличивал начальную силу удара. Уточнена была и задача 28-й стрелковой дивизии. Теперь она наступала не в центре своей полосы, как намечалось ранее, а на своем правом фланге, в тесном взаимодействии с 21-й дивизией. План операции был переписан мною заново, с учетом замечаний генерала армии Г. К. Жукова. Соответствующие изменения были внесены в боевой приказ и в другие документы».

В окончательном виде решение на операцию выглядело так. 5-й гвардейский стрелковый корпус генерала А. П. Белобородова наносил главный удар из района южнее Великих Лук в северо-западном направлении с ближайшей задачей овладеть рубежом озеро Кислое, Остриань, Демя, озеро Дергановское. В дальнейшем основные силы корпуса должны были развивать успех на Новосокольники, а части 357-й стрелковой дивизии обойти Великие Луки с юго-запада и уничтожить противника в городе. 381-я стрелковая дивизия полковника Б. С. Маслова, наносившая удар навстречу 5-му гвардейскому стрелковому корпусу с северо-востока, должна была овладеть рубежом Китово, Ржевино, Земляничина, а затем наступать на Великие Луки с северо-запада. 257-я стрелковая дивизия полковника А. А. Дьяконова продолжала обороняться на южных, восточных и северных подступах к городу. Одновременно ей предстояло фланговыми частями обойти Великие Луки с северо-востока и юго-востока. 21-я гвардейская стрелковая дивизия генерала Д. В. Михайлова, наступавшая левее 5-го гвардейского стрелкового корпуса на более широком фронте, чем другие дивизии, имела задачу овладеть рубежом Фенино, Полибино. 28-я стрелковая дивизия генерала С. А. Князькова частью сил должна была (во взаимодействии с 21-й стрелковой дивизией) окружить и уничтожить противника в районе Ступино, Мартьяново и выйти на рубеж Балаболкино, Зимник.

Обеспечение правого фланга ударной группировки армии возлагалось на 31-ю стрелковую бригаду. Находясь в 25 км к северо-востоку от Великих Лук, она готовилась нанести контратаки по противнику. Левый фланг армии обеспечивался 184-й танковой бригадой, готовившей контратаки совместно с одним полком 28-й стрелковой дивизии, находившимся в резерве командарма. 1-й механизированный корпус генерала М. Д. Соломатина к 24 ноября сосредоточился в 15 км юго-восточнее Великих Лук. Бригадам корпуса, совершившим 400-километровый марш по разбитым осенним дорогам и израсходовавшим значительную часть моторесурсов, требовалось некоторое время, чтобы восстановить материальную часть. Механизированный корпус составлял резерв 3-й ударной армии и предназначался для парирования возможных ударов противника из района Великих Лук. А в случае необходимости — для развития успеха в направлении города Новосокольники.

Как видно из замысла операции, перед войсками армии ставилась сравнительно ограниченная цель — разгромить великолукскую группировку противника. Территория, на которой планировалось развернуть активные действия, по фронту составляла менее 50 км, а в глубину (с выходом в район Новосокольники) не превышала 35 км. Для нанесения ударов по врагу были избраны наиболее слабые участки его обороны. Кстати сказать, эти участки были меньше других изучены нашей разведкой. В составе ударной группировки армии насчитывалось: 95 608 человек, 519 орудий, 1346 различных минометов, 224 противотанковых орудия, 46 установок PC, 390 танков, в том числе до 40 % легких (Т-60 и Т-70).

Фактически силы армии были выстроены в один эшелон. Механизированный корпус составлял резерв и не мог быть использован как второй эшелон армии. Это обстоятельство в известной степени отразилось в дальнейшем на ходе боевых действий.

Наступлению должна была предшествовать полуторачасовая артиллерийская подготовка, причем один час отводился на разрушение и 30 минут на подавление огневых средств и живой силы противника. 60 процентов орудий привлекалось для стрельбы прямой наводкой. Наступление пехоты и танков планировалось поддержать методом последовательного сосредоточения огня.

Наступление войск 3-й ударной армии началось утром 24 ноября разведкой боем передовых отрядов 357-й стрелковой, 9, 46 и 21-й гвардейских стрелковых дивизий, находившихся на главном направлении. Не имея достоверных данных об обороне противника, передовые отряды действовали недостаточно решительно и за день боя не смогли полностью вскрыть передний край его обороны. Это обстоятельство не позволило нашей артиллерии до начала наступления эффективно подавить вражескую систему огня.

Утром 25 ноября перешли в общее наступление основные силы 3-й ударной армии. Части 5-го гвардейского стрелкового корпуса, наносившие главный удар, сразу же встретили сильное огневое сопротивление противника. 357-я стрелковая дивизия, ведя ожесточенные бои, только 26 ноября смогла овладеть населенными пунктами Баталиха, Горушка. В ночь на 28 ноября, проведя перегруппировку сил к правому флангу, дивизии удалось освободить Мордовище и перерезать железную дорогу на участке Великие Луки — Новосокольники. К этому же времени 953-й стрелковый полк 257-й стрелковой дивизии, наступавший на юго-западную окраину Великих Лук, медленно пробивался к своей цели. 9-й гвардейской стрелковой дивизии за три дня удалось выбить неприятеля из трех опорных пунктов, совместно с 1188-м полком 357-й стрелковой дивизии окружить врага в районе Ширипина и частью сил выйти на железную дорогу в районе Остриань. 46-я гвардейская стрелковая дивизия, наступавшая в направлении станции Чернозем, несмотря на сильное огневое сопротивление и частые контратаки противника, в течение трех дней заняла пять населенных пунктов, в том числе станцию Чернозем.