Kế hoạch của Phương diện quân Tây Bắc là bao vây toàn bộ khối quân ở cạnh sườn phía Bắc của Tập đoàn quân số 6 của Đức, nơi mà quân đoàn số 2 chỉ là một phần rất nhỏ và các chỉ huy Hồng quân quyết tâm đẩy mạnh tiến độ hành quân của Phương diện quân Tây Bắc. Mũi tấn công đầu tiên do Tập đoàn quân số 11, Tập đoàn quân xung kích số 1 và các quân đoàn bộ binh Cận vệ số 1 và số 2 (được bổ sung từ lực lượng dự bị) đảm nhiệm. Mũi tấn công thứ hai được phát động vào ngày 12 tháng 2 do Tập đoàn quân xung kích số 3 và số 4 của Phương diện quân Kalinin đảm nhiệm với một nhiệm vụ phụ thêm là tấn công trực tiếp vào khối quân Đức bị bao vây bằng việc đổ bộ hai lữ đoàn dù nhằm hỗ trợ mũi tấn công của Tập đoàn quân số 34. Tuy nhiên kế hoạch tấn công bị bỏ dở do đà tấn công của Hồng quân bị nhụt đi nhanh chóng trước thời tiết xấu và địa hình phức tạp của khu vực.

Sau khi được biết chắc chắn rằng số quân Đức bị vây sẽ được tiếp vận đầy đủ bởi Tập đoàn quân không quân số 1 (Luftflotte 1) với "công suất" 270 tấn hàng/ngày, Hitler ra lệnh cho số quân bị vây ở Demyansk phải tử thủ cho đến khi lực lượng tiếp viện giải vây. Trong vòng vây có hai sân bay khả dụng cho việc đáp phi cơ tiếp vận hàng ở Demyansk và Peski. Đồng thời từ giữa tháng 2 năm 1942 thời tiết trong khu vực đã khá hơn và công việc tiếp tế của không quân Đức gặp ít trở ngại do lực lượng Không quân Xô Viết tại đây rất yếu. Tính từ ngày 20 tháng 2 năm 1942, mỗi ngày không quân phát xít Đức đã dùng từ 100-150 máy bay với công suất 265 tấn hàng/ngày để tiếp tế và cho số quân Đức trong "cái túi" Demyansk. Mỗi máy bay cũng chở tới 22 binh sĩ nhằm tăng viện cho quân Đức.[6] Tổng cộng tính từ ngày 19 tháng 2 đến 18 tháng 5, không quân phát xít Đức đã thực thi 24.303 lượt bay và cung cấp 15.446 tấn hàng (trung bình 273 tấn hàng/ngày) và di tản 22.903 thương binh.[7] Tuy nhiên việc tiếp vận cho số quân bị vây đã huy động gần hết số máy bay vận tải của không quân phát xít Đức Luftwaffe cùng với nhiều máy bay ném bom của họ.

Trong khi đó Phương diện quân Tây Bắc vẫn đang tuyệt vọng trong việc thanh toán số quân bị vây ở Demyansk. Suốt mùa đông và mùa xuân 1942 Hồng quân mở liên tiếp nhiều đợt tấn công vào "hành lang Ramushevo" - tuyến liên lạc giữa Demyansk và Staraya Russa thông qua làng Ramushevo - nhưng tất cả đều bị đẩy lui. Tính ra có đến 5 tập đoàn quân với quân số 18 sư đoàn Hồng quân bị trói chặt vào "cái túi" Demyansk suốt 4 tháng.[cần dẫn nguồn]

Tuy nhiên đến cuối tháng 5 năm 1942 thì Bộ Tổng tư lệnh Tối cao Liên Xô Stavka đã đánh giá lại tình hình của toàn bộ mặt trận và chuyển hướng chú ý đến khu vực xung quanh thủ đô Mạc Tư Khoa - nơi một đợt tấn công mới của quân Đức dự kiến sẽ xảy ra vào mùa hè cùng năm.