Ngày 8 tháng 1, Tập đoàn quân 39 mở màn cuộc tấn công vào Glazovo, Chetshno (???), Solomino (???) và Novoye, phá vỡ tuyến phòng ngự của Quân đoàn bộ binh 23 (Đức), mở ra một đột phá khẩu rộng 15 km phía Tây Rzhev. Cánh trái của Tập đoàn quân 29 và Tập đoàn quân 30 tấn công đánh chiếm Starisha. Cánh phải, cánh chủ lực của Tập đoàn quân 29 sau một ngày tấn công đã bẻ gãy sức kháng cự của Sư đoàn bộ binh 26 (Đức), đánh chiếm Mologino và Kokoshkino. Ngày 9 tháng 1, tướng I. S. Konev tung cụm cơ động do tướng V. D. Sokolov chỉ huy gồm Quân đoàn kỵ binh 11, 2 tiểu đoàn xe tăng, 1 sư đoàn bộ binh và 2 tiểu đoàn súng cối đột phá xuống từ Mologino xuống phía Nam. Quân đoàn kỵ binh 11 vọt tiến qua phía Tây Rzhev, tạo thành một hành lang chia cắt Rzhev và Olenino. Quân đoàn bộ binh 23 (Đức) gồm các sư đoàn bộ binh 102, 203, 253 và Lữ đoàn kỵ binh SS bị bao vây tại khu vực Olenino. Ngày 10 tháng 9, Tập đoàn quân 29 tấn công đánh chiếm các khu vực Zalkovo Gubin (Zalkovo), Bocharovo, Orekhovo (???), áp sát phía Tây Rhzev. Tập đoàn quân 39 theo sau Quân đoàn kỵ binh 11 tổ chức đột kích vào Osuga, phía Nam Rzhev. Sư đoàn kỵ binh 18 dẫn đầu Quân đoàn kỵ binh 11 đánh chiếm Nashchekino, phía Bắc Sychyovka 20 km.[14] Ở phía Tây, Tập đoàn quân 22 đánh chiếm Selizharovo một cách chật vật sau khi vượt sông Volga và tiến ra cắt đứt đường sắt Velikiye Luki - Rzhev ở phía Tây Olenino 35 km, đánh chiếm các thị trấn Ovchinnikovo (Ovchinniki), Berezuy, Erino, Shpalevo, hình thành tuyến bao vây phía Tây Olenino. Từ ngày 12 đến ngày 15 tháng 1, các tập đoàn quân 30 và 31 liên tiếp mở các cuộc đột kích từ tuyến sông Shosha vào Zubtsov nhưng không vượt qua được tuyến phòng thủ của Quân đoàn bộ binh 6 và Quân đoàn bộ binh 27 (Đức) trên tuyến thượng nguồn sông Volga.[12]

Trước sự thất lợi của Tập đoàn quân 9 (Đức), ngày 15 tháng 1 năm 1942, Adolf Hitler cách chức tướng Adolf Strauß vì lý do sức khỏe và bổ nhiệm tướng Walter Model làm tư lệnh Tập đoàn quân 9. Ngày 16 tháng 9, quân đội Đức Quốc xã tổ chức các trận phản kích lớn đầu tiên. Trên khu vực phía Tây Rzhev, tướng Walter Model điều động Sư đoàn xe tăng 5, các sư đoàn bộ binh 26, 256, "Der Fuhrer" và "Das Reisch" mở cuộc phản công từ Rzhev sang Olenino, phối hợp với Quân đoàn bộ binh 23 từ Olenino đánh ra. Ngày 23 tháng 1, Tập đoàn quân 9 (Đức) nối lại được hành lang Olenino - Rzhev rộng 6 đến 8 km, cô lập các tập đoàn quân 29, 39 và Quân đoàn kỵ binh 11 (Liên Xô) trên khu vực phía Tây Osuga - Sychyovka. Ngày 28 tháng 1, Tập đoàn quân xe tăng 3 (Đức) tập trung các sư đoàn xe tăng 1, 2, 6 và Sư đoàn cơ giới 26 mở một đoàn phản kích thứ hai từ Sychyovka lên hướng Olenino, chia cắt Tập đoàn quân 29 và Tập đoàn quân 39 (Liên Xô). 5 sư đoàn bộ binh của Tập đoàn quân 29 bị chia cắt thành các cụm quân nhỏ phải tiến hành phòng ngự cơ động dọc theo phía Tây con đường sắt Rzhev - Sychyovka.[12]

Không cảm thấy mối đe dọa từ phía sau lưng, Quân đoàn kỵ binh 11 (Liên Xô) vẫn tiếp tục lao về Vyazma. Ngày 25 tháng 1, Sư đoàn kỵ binh 24 tổ chức đột kích vào Novodugino nhưng đã bị sư đoàn bộ binh 14 và Lữ đoàn cơ giới 900 (Đức) đánh bật ra. Ngày 30 tháng 1, các sư đoàn kỵ binh 24, 82 và Lữ đoàn cơ giới cận vệ 2 đơn độc tấn công Vyazma từ phía Bắc đã vấp phải đòn phản kích của các sư đoàn bộ binh 10, 205 và Lữ đoàn cơ giới 10 (Đức). Không có sự yểm hộ của pháo binh và không quân cũng như không đón gặp được đòn tấn công của cánh trái của Phương diện quân Tây phát triển sang, các sư đoàn kỵ binh Liên Xô mau chóng mất sức chiến đấu và phải rút về phía Tây thượng nguồn sông Dniepr.[14]

Từ ngày 1 đến ngày 15 tháng 2, Tập đoàn quân 39 liên tục công kích vào các khu vực Osuga và Sychyovka nhưng không thành công. Tập đoàn quân 29 (Liên Xô) phải chia thành nhiều toán nhỏ rút quân qua phía Bắc Zubtsov về tuyến phòng thủ của Tập đoàn quân 30 và sang phía Tây Nam về khu vực đóng quân của Tập đoàn quân 22, Tập đoàn quân 39 (Liên Xô) bị đánh dạt sang các khu rừng và đầm lầy xung quanh Kholm - Zhirkovsky. Không hoàn thành được nhiệm vụ đánh chiếm Sychyovka, tướng I. S. Konev giao nhiệm vụ cho Tập đoàn quân 39 mở cuộc tấn công vào Yartsevo với hy vọng sẽ cắt đứt hành lang Smolensk - Vyazma của quân đội Đức Quốc xã. Ngày 18 tháng 2, Tập đoàn quân 39 với quân số mỗi sư đoàn chỉ còn lại từ 1.800 đến 200 tay súng đã tổ chức tấn công dọc theo sông Vob xuống phía Nam. Tuy nhiên, Quân đoàn bộ binh 9 (Đức) có Sư đoàn xe tăng 20 làm nòng cốt đã chặn đứng cuộc tấn công này trước cửa ngõ phía Bắc Yartsevo. Ngày 21 tháng 2, trong một cố gắng cuối cùng, Quân đoàn kỵ binh 11 chỉ còn lại 4.298 người và 1.536 con ngựa đã tổ chức tấn công vượt đường sắt Smolensk - Vyazma để hợp nhất với Quân đoàn kỵ binh cận vệ 1. Ngày 26 tháng 2, hai quân đoàn chỉ còn cách nhau từ 5 đến 6 km nhưng Quân đoàn kỵ binh 11 đã không thể vượt được khoảng cách còn lại từ Izdeshkovo đến Ozerechnya, buộc phải rút về tả ngạn sông Dniepr và tổ chức phòng thủ cùng với du kích địa phương. Chiến dịch phản công Rzhev-Vyazma của Phương diện quân Kalinin đã không đạt được mục tiêu đề ra. Tập đoàn quân 39 và Quân đoàn kỵ binh 11 bị nửa hợp vây tại khu vực Kholm-Zhirkovsky gồm toàn rừng và đầm lầy.[15]

Trong tháng 3 năm 1942, Tập đoàn quân 3 được bổ sung 2 sư đoàn bộ binh lấy từ Tập đoàn quân 31, Sư đoàn bộ binh 256 và 5 tiểu đoàn trượt tuyết độc lập và Quân đoàn kỵ binh 11 đã tổ chức các trận đánh nống sang phía Đông. Ngày 18 tháng 3 năm 1942, 2 sư đoàn bộ binh và sư đoàn kỵ binh 82 đã tổ chức vượt sông Dniepr, chiếm lĩnh một khu vực bàn đạp ở tả ngạn sông Dniepr. Tuy nhiên, Tập đoàn quân 39 đã không còn đủ sức để tiếp tục cuộc tấn công. Ngày 30 tháng 3, toàn bộ Phương diện quân Kalinin chuyển sang tư thế phòng ngự.