В это же время 1-я ударная армия наводила переправу через канал Москва – Волга в районе г. Дмитрова. Глубина прорыва составила к вечеру 6 декабря 17 км. На 7 декабря прорыв расширился до 35 км по фронту и 25 км в глубину. Вырвавшись вперед, 379-я стрелковая дивизия полковника Чистякова и 8-я танковая бригада полковника Ротмистрова перерезали Ленинградское шоссе возле села Ямуга. 8 декабря 30-я армия взяла Рогачево. Соединения 1-й ударной и 20-й армий освободили крупные населенные пункты – Яхрому, Белый Раст, Красную Поляну. Левофланговые соединения армии отбросили противника на Истринский рубеж.
9 декабря 5-я армия генерала Говорова с боем форсировала реку Истру и заняла несколько населенных пунктов на северном берегу. 11 декабря на правом крыле Западного фронта передовой отряд 24-й т. бр. с десантом перерезал Ленинградское шоссе к северо-западу от Солнечногорска. В этот же день Солнечногорск и Истра были очищены от противника. 15 декабря был освобожден Клин. В боях за город были разгромлены две моторизованные и танковая немецкие дивизии. В течение 20–24 декабря армии правого крыла Западного фронта достигли рубежа рек Ламы и Рузы, где противник заранее подготовил прочную оборону. Здесь было принято решение приостановить наступление и закрепиться на достигнутых рубежах.
На центральном участке войска Западного фронта сковали основные силы 4-й ПА противника, не допуская их переброски на направления главных ударов советских армий. Левофланговые соединения 5-й армии генерала Говорова, 33-я генерала Ефремова и 43-я армии и правофланговые соединения 49-й армии вели бои на 130-километровом фронте от железной дороги Москва – Можайск до Тарусы.
5-й армии 11 декабря удалось прорвать немецкую оборону в районе г. Дорохов. 33-я армия 18 декабря после короткой артподготовки начала наступление в направлении на Боровск. 24 декабря советские войска вышли на Варшавское шоссе. 4 января были освобождены Боровск, Наро-Фоминск и Малоярославец.
Левое крыло Западного фронта (50-я, 10-я генерала Голикова, левофланговые соединения 49-й армии и 1-й гв. кав. корпус) 6 декабря перешло в наступление северо-восточнее Тулы против 4-й ПА и 2-й ТА. Правое крыло Юго-Восточного фронта продвигалось в районе Ельца. Были очищены дороги, соединяющие Тулу с Москвой. 7 декабря войска 10-й армии освободили Михайлов и Серебряные Пруды. Создавались предпосылки для окружения и разгрома соединений 4-й ПА и 2-й ТА юго-восточнее Тулы. Однако эту возможность не удалось реализовать. 2-я ТА с упорными боями отходила в общем направлении к рубежу р. Упы. Отход противника был своевременно замечен. Командующий Западным фронтом Жуков, уточнив задачи, попытался завязать горловину «мешка» вокруг немецких частей восточнее Тулы, но противнику удалось вырваться, бросив значительное количество боевой техники. Войска 50-й и 10-й армий осуществляли преследование отступавших немцев, не позволяя им организовывать оборону в крупных населенных пунктах.
Советское командование своевременно разгадало намерение противника задержаться на рубеже р. Оки. Для того чтобы сорвать его, 14 декабря севернее Тулы 49-я армия генерала Захаркина перешла в наступление. Она разгромила группировку правофланговых соединений 4-й ПА, действовавшую на восточном берегу Оки. Преодолев Оку, войска генерала Захаркина 18 декабря завязали бои на окраинах Тарусы, а ночью, совершив обходной маневр, разгромили немецкий гарнизон. Благодаря введению в разрыв между 4-й ПА и 2-й ТА подвижной группы войск 50-й армии под командованием генерала Попова, удалось неожиданно для противника прорваться к Калуге. За трое суток группа прошла 90 км и к вечеру 20 декабря вышла с юга на подступы к Калуге. Утром 21 декабря советские войска атаковала железнодорожный вокзал. Тем не менее немцы оказывали упорное сопротивление, и Калуга была освобождена 30 декабря после тяжелых боев силами двух армий левого крыла Западного фронта.
Существенную помощь войскам Западного фронта оказало правое крыло Юго-Западного фронта. Помимо выполнения собственной операции по ликвидации группировки противника (дивизии немецкой 2-й ПА) в районе Ельца, Юго-Западный фронт сковал часть сил 2-й ТА Гудериана.