30 июля в наступление перешли 30-я и 29-я армии Калининского фронта, которые, однако, не смогли прорвать оборону противника. Наступление войск Западного фронта началось 4 августа после полуторачасовой артиллерийской подготовки. Они форсировали реку Держа, прорвались через сильно укрепленные рубежи немецких войск и к исходу следующего дня расширили прорыв до 30 километров по фронту и продвинулись до 25 километров в глубину. Успех советских войск вызвал тревогу у начальника Генерального штаба Сухопутных войск вермахта генерала Ф. 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».[311]
5 августа Ставка ВГК, стремясь развить успех войск Западного фронта, подчинила Жукову все войска, в том числе Калининского фронта, действующие в районе Ржева. На следующий день, усиливая удар в направлении Сычевска, Жуков ввел в действие фронтовую подвижную группу в составе 6-го и 8-го танковых и 2-го кавалерийского корпусов. Это был своевременный шаг, так как командование группой армий «Центр» укрепило 9-ю армию тремя танковыми и двумя пехотными дивизиями и предприняло контрудар в общем направлении на Погорелое Городище. Жуков, стремясь сорвать намерения противника, нанес по его резервам удар авиацией и нацелил на них основные силы подвижной группы. В результате 7 августа на подступах к рекам Вазуза и Гжать произошло крупное танковое сражение, в котором с обеих сторон участвовало до 1500 танков и самоходных орудий. 8 августа в сражение была введена 5-я армия Западного фронта с задачей прорвать оборону противника на всю тактическую глубину и соединиться с левофланговыми частями 20-й армии.
Добиться значительных территориальных успехов советским войскам не удалось. Однако они сорвали контрудар противника, нанесли ему поражение и вынудили перейти к обороне на рубеже рек Вазуза и Гжать, село Карманово. В дальнейшем войска правого крыла Западного фронта вели бои за расширение захваченных на левых берегах Вазузы и Гжати плацдармов и на подступах к Карманово и Быково. Используя успех Западного фронта, войска 30-й и 29-й армий Калининского фронта во второй половине августа вышли на подступы к Ржеву, но овладеть им не смогли. 23 августа 31-я армия при помощи войск 29-й армии освободила Зубцов, а войска 20-й армии — Карманово. На этом наступательные возможности наших войск были исчерпаны, и они перешли к обороне.
В результате Ржевско-Сычевской операции советские войска продвинулись на 30–45 километров, ликвидировали плацдарм противника на левом берегу Волги в районе Ржева, сковали крупные силы группы армий «Центр» и вынудили противника перебросить в район операции 12 дивизий с других участков советско-германского фронта. Немецкий 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».[312]
В ходе ожесточенных боев 16 вражеских дивизий, по оценкам авторов энциклопедии «Великая Отечественная война 1941–1945», потеряли 50–80 процентов личного состава, а в каждой из танковых дивизий из 150–160 боевых машин осталось не более 20–30.[313]
При этом Жуков был уверен: «Если бы в нашем распоряжении были одна — две армии, можно было бы во взаимодействии с Калининским фронтом не только разгромить ржевскую группировку, но и всю ржевско-вяземскую группу немецких войск и значительно улучшить оперативное положение на всем западном стратегическом направлении. К сожалению, эта реальная возможность Верховным Главнокомандованием была упущена».[314] С этим мнением можно согласиться, так как сил для выполнения задач, поставленных войскам Западного и Калининского фронтов, действительно не хватало. Следует также учесть, что им пришлось прорывать заблаговременно созданную глубоко эшелонированную и сильно укрепленную оборону. Поэтому и потери советских войск были значительны. Из 345,1 тысячи человек, привлеченных к операции, в ходе боевых действий было потеряно 142,2 тысячи, в том числе почти 51,5 тысячи (14,9 процента) — безвозвратно.[315]
После того как войска Западного фронта перешли к обороне, Жуков выехал в район населенного пункта Погорелое Городище для проведения новой наступательной операции. Здесь 27 августа его застал звонок Сталина, который приказал возложить обязанности командующего Западным фронтом на начальника штаба и немедленно отправляться в Ставку. Как выяснилось, в этот день постановлением СНК СССР Г.К.Жуков был назначен первым заместителем народного комиссара обороны (от обязанностей первого заместителя наркома освобождался С.М.Буденный).