Утром 25 ноября войска Западного и Калининского фронтов после двухчасовой артиллерийской подготовки приступили к проведению операции «Марс» и Великолукской операции. Однако из-за плохой видимости, вследствие сильной метели, не удалось полностью подавить систему огня противника, который оказал ожесточенное сопротивление. Авиация обоих фронтов ввиду плохой погоды не могла быть задействована для поддержки своих войск. В результате соединения 20-й армии Западного фронта, наносившие главный удар, продвинулись к исходу дня всего на 1–3 км. В ходе боевых действий большие потери понесли танковые бригады: 80-я — 18 танков, 255-я — также 18 боевых машин, которые подорвались на своих минных полях. Войска 31-й армии смогли на своем левом фланге продвинуться лишь на 1 км.
Оборона 9-й армии выдержала первый удар. В ней образовалась небольшая вмятина, которая все-таки вызвала беспокойство у командира 39-го танкового корпуса генерала Г.Ю. фон Арнима. По его просьбе генерал-полковник Модель выделил из своего резерва 9-ю танковую дивизию и 2-й батальон 1-го танкового полка 1-й танковой дивизии, чтобы прикрыть железную дорогу, проходящая южнее р. Осуга близ населенного пункта Ложки.
Утром 26 ноября в полосе 20-й и 31-й армий была проведена артиллерийская подготовка продолжительностью в один час. По решению генерал-полковника Конева в три часа дня для допрорыва обороны вводится 6-й танковый корпус. Ему предстояло переправиться через р. Вазуза и во взаимодействии с 26-й гвардейской стрелковой дивизией, 148-й и 150-й стрелковыми бригадами 8-го гвардейского стрелкового корпуса прорвать вражескую оборону и прервать сообщение по железной дороге Ржев — Сычевка. Затем намечалось ввести 2-й гвардейский кавалерийский корпус. За конно-механизированной группой приказывалось продвигаться 1-й гвардейской мотострелковой дивизии и 31-й танковой бригаде с целью уничтожения оставшихся в ее тылу частей противника. Командиру 251-й стрелковой дивизии предписывалось повернуть влево, выйти на предмостный плацдарм и расширить зону прорыва на север и запад.
Ввод 6-го танкового корпуса для допрорыва обороны противника обернулся большими потерями, которые составили 26 ноября до 50% материальной части и личного состава{262}. Части корпуса, оторвавшись от пехоты и конницы, на следующий день вышли в район леса северо-западнее совхоза Никишкино, где оказались в окружении. Генерал-полковник Конев, стремясь обеспечить прорыв корпуса из окружения, потребовал от 2-го кавалерийского корпуса, обходя узлы сопротивления противника, в ночь на 28 ноября во что бы то ни стало прорваться через железную дорогу и соединиться с танкистами.
Выполняя приказ командующего Западным фронтом, части 2-го кавалерийского корпуса перешли в наступление. После упорных боев за линию железной дороги сумела прорваться только часть сил 20-й и 3-й гвардейской кавалерийских дивизий. Противник сумел закрыть образовавшуюся брешь на участке Ложки, Никишкино, нанеся удар с севера частью сил 27-го армейского корпуса и с юга — частями 39-го танкового корпуса. Немногочисленные и ослабленные в боях части 6-го танкового, 2-го гвардейского кавалерийского корпусов и 1-й самокатно-мотоциклетной бригады испытывали недостаток в продовольствии, боеприпасах и горючем. Войска 20-й армии не могли им помочь, так как 29 ноября не сумели преодолеть сопротивление противника.
В ночь на 30 ноября остатки 6-го танкового корпуса при поддержке соединений 20-й армии и частей 2-го гвардейского кавалерийского корпуса, наносивших удар с фронта, прорвали кольцо окружения, потеряв при этом почти все оставшиеся танки и большую часть личного состава. Остальные силы 2-го гвардейского кавалерийского корпуса, взорвав участок железной дороги Вязьма — Ржев и железнодорожный мост, прорваться назад не смогли и были вынуждены уйти в леса на запад. После выхода из окружения 6-й танковый корпус был выведен в тыл на доукомплектование. К этому времени противник, введя в сражение новые силы (413-й пехотный, 113-й пехотный и 10-й моторизованный полки, 129-я и 102-я пехотные и 9-я танковая дивизии) остановил главные силы 20-й армии на рубеже Васильки, Большое и Малое Кропотово, Подосиновка, Жеребцово, Талица, Старое Мурзино. Войска 31-й армии, обеспечивавшие правый фланг 20-й армии, в течение трехдневных боев понесли большие потери, не сумев прорвать вражескую оборону.
1 декабря 20-я армия, усиленная двумя левофланговыми дивизиями 31-й армии, возобновила наступление. Она прорвала вражескую оборону на участке шириной 8 км и в глубину до 6 км, но не сумела расширить прорыв. 3 декабря северо-западнее Ржева в направлении на Чертолино начала наступление 30-я армия. В ходе ожесточенных четырехдневных боев она овладела небольшим плацдармом на южном берегу Волги, который вклинивался в передний край обороны противника.