Генерал Конев решил главный удар нанести силами 39-й армии. Выехав на ее командный пункт, он встретился с командующим армией генерал-майором И. И. Масленниковым. Вместе они направились на местность, чтобы уточнить участок прорыва. Здесь в присутствии начальника штаба армии полковника П. П. Мирошниченко Иван Степанович довел замысел предстоящей операции. Исходя из слабых ударных и огневых возможностей 39-й армии, было решено начать наступление затемно, чтобы тем самым достичь внезапности первоначального удара, а на второй-третий день операции ввести в сражение фронтовую подвижную группу — 11-й кавалерийский корпус. Ему ставилась задача перерезать автомагистраль и железную дорогу Вязьма — Смоленск. Действия ударной группировки обеспечивались переходом в наступление 29-й, 31-й и 22-й армий.
8 января соединения 39-й армии прорвали оборону противника западнее Ржева на узком, 15-километровом участке и, продвинувшись на юг с боями до 50 км, в середине января вышли в район западнее Сычевки. Вошедший в прорыв 11-й кавалерийский корпус к 26 января подошел с запада к Вязьме. На следующий день он перерезал автомагистраль, но затем под натиском превосходящих сил противника вынужден был отойти, и перешел по указанию генерала Конева к обороне. «Оборону использовать для закрепления. Готовить силы для удара на Вязьму», — гласило его распоряжение, переданное по радио[35]. Одновременно по решению Конева в прорыв после перегруппировки вводится 29-я армия под командованием генерал-майора В. И. Швецова. Она обошла Ржев с запада и завязала бои на подступах к городу. Учитывая успех армий левого крыла Северо-Западного фронта, к этому времени начавших операцию на торопецко-холмском направлении, генерал Конев основные силы 22-й армии, которой командовал генерал В. И. Вострухов, временно заменивший генерала В. А. Юшкевича, решил перенацелить на город Белый. В результате успешного ее продвижения на глубину 120–130 км соединения армии охватили с запада части 23-го армейского корпуса противника, оборонявшегося в районе Оленино.
К концу января в полосе фронта обстановка резко изменилась. Противник, воспользовавшись большой растянутостью боевых порядков советских войск, ударами из района Ржева на запад и из района Оленино на восток сумел перекрыть участок прорыва 39-й армии. Заслушав в связи с этим на заседании Военного совета доклад начальника штаба фронта генерала М. В. Захарова, командующий фронтом принял решение восстановить положение нанесением ударов соединениями 29-й армии с юга и частью сил 30-й армии, перегруппированных с левого крыла фронта в район Ржева, — с севера. Для реализации этого замысла требовалась большая организаторская работа. Иван Степанович переместил свой КП в полосу предстоящего удара 30-й армии, а член Военного совета фронта корпусной комиссар Д. С. Леонов с группой командиров и политработников вылетел в 29-ю армию.
В последних числах января соединения двух армий перешли в наступление, пробив небольшую горловину между городами Белый и Нелидово. Через нее поддерживалась связь с 29-й и 39-й армиями и 11-м кавалерийским корпусом. 16 февраля по указанию генерала Конева в район боевых действий 29-й армии выбрасывается воздушный десант. Получив подкрепление, ее соединения совместно с 39-й армией предприняли попытку пробиться в северном направлении. Решить эту задачу они не смогли. Фронт стабилизировался на рубеже Холм, Велиж, своим центром охватывая с тыла ржевско-вяземскую группировку немецких войск в составе 3-й танковой и 9-й армий. Вместе с тем войска Калининского и левого крыла Северо-Западного фронтов сами находились под угрозой удара войск противника с демянского и ржевского плацдармов в общем направлении на Осташков.
Несмотря на незавершенность Ржевско-Вяземской операции, она сыграла положительную роль. В ходе боев войск Калининского и Западного фронтов был сорван замысел противника дать в течение зимы отдых своим войскам и подготовить их к новым наступательным операциям весной 1942 года. Чтобы спасти армию от катастрофы, немецкое командование вынуждено было с декабря 1941 года по апрель 1942 года дополнительно перегруппировать из Германии и оккупированных стран Европы тридцать девять дивизий, шесть бригад и около восьмисот тысяч человек маршевого пополнения.
Таким образом, зимой 1941/42 года Красная Армия захватила инициативу на главном стратегическом направлении советско-германского фронта. Победа под Москвой знаменовала начало коренного поворота в ходе Великой Отечественной войны. Был развеян миф о непобедимости немецко-фашистской армии.