В соответствии с принятыми в Красной Армии принципами ведения операций в первый день в бой пошли пехотинцы, задачей которых было взломать фронт обороны немцев и открыть дорогу вглубь 3-му механизированному корпусу. Артиллерийская подготовка атаки началась в 7.30 25 ноября. Через полтора часа пехотинцы 238-й стрелковой дивизии полковника И.В.Карпова и 185-й стрелковой дивизии полковника М.Ф.Андрющенко поднялись в атаку. Во второй половине дня к стрелковым дивизиям присоединились танковые бригады корпуса М.Е.Катукова. В отличие от мясорубки в полосе наступления 20-й армии прорыв фронта в долине Лучесы произошел уже в первый день операции: оборона на правом фланге 86-й пехотной дивизии была прорвана. Севернее Белого образовалась 4-километровая брешь, в которую двинулись ничем пока не сдерживаемые две стрелковые дивизии и 3-й механизированный корпус 22-й армии В.А.Юшкевича.
Реакция штаба 9-й армии на возникший кризис была типичной для парирования наступлений Калининского фронта: в район прорыва спешно выбрасывались боевые группы подвижных соединений. Уже вечером 25 ноября по тревоге был поднят батальон мотопехоты моторизованной дивизии «Великая Германия», который выдвинулся в долину Лучесы и перегородил ее в районе деревни Старухи. Наступление 22-й армии в засыпанном снегом лесу и долине реки развивалось крайне медленно.
Проигрыш в темпе продвижения играл на руку немцам. Участок прорыва был выявлен, и вскоре помимо подвижных резервов в бой вступили отдельные батальоны и полки, изъятые из состава пехотных дивизий на неатакованных участках Ржевского выступа. Причем, поскольку направление удара определилось, появилась возможность изымать части из растянутых по фронту соединений: возможность удара по ним теперь была более чем призрачной. Первым прибыл батальон из соседней, растянутой по фронту на 30 км, 110-й пехотной дивизии. Затем в долину Лучесы были направлены по батальону из 253-й и 216-й пехотных дивизий. Против наступающих советских войск выстраивался заслон из частей четырех различных соединений. После двух дней неуспешных попыток пробиться вперед вдоль Лучесы вечером 27 ноября командующий 22-й армией решил перенести направление главного удара южнее. 49-я танковая бригада корпуса М.Е.Катукова рокировалась на правый фланг наступления.
Несмотря на то что в ходе ночной перегруппировки советские танковые части потратили много времени на блуждания в лесу, смещение акцентов наступления принесло положительный результат. Во второй половине дня 28 ноября 49-я танковая и 10-я механизированная бригады прорвали оборону немецких резервов и двинулись на восток, к шоссе Оленино — Белый. Немцам удалось избежать катастрофы только благодаря прибытию боевой группы Келлера (два оставшихся батальона гренадерского полка моторизованной дивизии «Великая Германия»). Она заняла оборону на пути наступающих советских войск и остановила их продвижение. В разгоревшемся на следующий день сражении рокированные Юшкевичем на правый фланг части сумели оттеснить Келлера еще дальше и к вечеру стояли всего в 8 км от желанного шоссе. Разрыв в построении немецких войск, измеряемый между группой Келлера и загнутым флангом 86-й пехотной дивизии, составил уже 12 км. 30 ноября бои продолжились с прежним ожесточением. Наступающим противостоял уже полный полк «Великой Германии» и два батальона (две трети полка) двух пехотных дивизий. Для восстановления численности обороняющихся «прочесывались» тылы, на выручку группе Келлера бросили дивизион САУ StuGIII. Обе стороны понесли большие потери. Из 270 танков 3-го механизированного корпуса уже почти половина превратилась в обездвиженные обугленные остовы на изрытых воронками берегах Лучесы.
Сражение перешло в фазу борьбы на измор. В резерве у Юшкевича еще оставались свежий танковый полк (30 танков) и стрелковая бригада. С их помощью он рассчитывал добить переброшенные немцами резервы и прорваться к шоссе. Вновь была предпринята перегруппировка 49-й танковой бригады: основной идеей наступления было использование открытого фланга обороняющихся. Юшкевич планировал отбросить его к северу и открыть своим войскам путь к шоссе. Весомость атаке должны были придать свежие 39-й отдельный танковый полк майора А.Ф.Бурды и 114-я стрелковая бригада.
1 декабря стало, по мнению немцев, самым тяжелым днем битвы в долине Лучесы. Сильная метель мешала советской артиллерии, но одновременно лишала немцев возможности использовать самое маневренное средство борьбы — авиацию. Ход с обходом «висящего в воздухе» фланга удался, и наступающие продвинулись к шоссе еще на четыре километра, одновременно расширив прорыв к северу. Группа Келлера была отброшена на северо-восток, ее командир был смертельно ранен. Для парирования кризиса к Лучесе были отправлены еще один батальон 253-й пехотной дивизии из XXIII корпуса и батальон САУ StuGIII «Великой Германии» из района Белого. На следующий день продвижение советской пехоты и танков к шоссе продолжилось, и оно оказалось на дистанции, позволяющей вести минометный обстрел, — всего два километра. Расширение прорыва позволило Юшкевичу высвободить дополнительные силы, рокировать их на правый фланг ударной группы 22-й армии и повторить успешный маневр по давлению на открытый фланг. Теперь немцы уже «чувствовали спинами» шоссе Оленино — Белый. Однако этот результат дорого обошелся 22-й армии: из 270 танков 200 уже были потеряны, потери в стрелковых соединениях достигали 60 % численности. Юшкевич решил пойти ва-банк и изъял из состава 155-й стрелковой дивизии один полк с задачей вновь обойти открытый фланг немцев при поддержке остатков танков корпуса М.Е.Катукова. Перегруппировка войск должна была занять несколько дней, и начало очередной фазы наступление было назначено на 9.00 7 декабря.
Тем временем наступило затишье в районе Сычевки: 20-я армия производила перегруппировку сил и восстановление подбитых танков. Это позволило немцам перебросить к Лучесе тот последний батальон, который решает судьбу сражения. В роли последней соломинки выступила «пожарная команда 9-й армии» — боевая группа Беккера, уже показавшая себя с лучшей стороны в сражении на Вазузе. Группа Беккера была усилена 2-м мотоциклетным батальоном 2-й танковой дивизии, дивизионом артиллерии «Великой Германии», 3 танками и 2 самоходными орудиями. Начатая 4 декабря переброска осуществлялась частично по железной дороге, частично автотранспортом дивизии «Великая Германия». Уже ранним утром 6 декабря группа Беккера заняла исходное положение для контрудара. Они опередили советское наступление ровно на сутки. Предпринятая группой Беккера контратака оказалась совершенно неожиданной и нарушила подготовку советского наступления. Юшкевич все же решил не менять своих планов, и утром 7 декабря 22-я армия попыталась реализовать задуманный ранее маневр, но натолкнулась на усилившуюся оборону противника и, потеряв остатки танков, остановилась. Попытки вернуть инициативу в последующие дни успехом не увенчались, и 12 декабря Юшкевич получил приказ вывести 3-й механизированный корпус из боя для отдыха и пополнения. За неудачу наступления он поплатился своей должностью: его место во главе 22-й армии занял генерал-майор М.Д.Селезнев. Одновременно была выведена из боя и направлена в район Молодой Туд боевая группа Беккера. Ее место должны были занять куда более сильные резервы, высвободившиеся после ликвидации «котла» южнее Белого. Это была группа фон дер Медена 1-й танковой дивизии, группа Прауна 129-й пехотной дивизии, 12-я и 20-я танковые дивизии. Однако срезать вбитый в немецкую оборону клин не получилось. Окружавшие долину Лучесы леса, ранее замедлявшие наступление 22-й армии, теперь мешали контратаке крупных сил пехоты и танков немцев. Попытки в 20-х числах декабря пробиться на запад вдоль долины Лучесы, повторяя маршрут советского наступления, также потерпели фиаско. 1 января Модель приказал прекратить атаки против выступа в районе Лучесы. Вытянувшийся к шоссе Оленино — Белый «аппендикс», заставленный остовами танков и орудий, вплоть до эвакуации 9-й армии из Ржевского выступа был своего рода памятником сложностям в наступлении на закрытой местности.
Неудача наступления в долине Лучесы не повлияла на высокую оценку М.Е.Катукова как танкового командира. Более того, по директиве Ставки ВГК от 30 января 1943 г. он получил повышение. М.Е.Катуков был назначен командующим вновь формируемой 1-й танковой армией. В состав армии вошли участвовавший в наступлении 22-й армии 3-механизированный корпус и многострадальный 6-й танковый корпус, переданный из 20-й армии Западного фронта.
Прорыв 41-й армии южнее Белого. Если на Западном фронте И.С.Конева удары 20-й, 31-й, 33-й и 5-й армий разделялись по времени, то все три (не считая наступающих на Великие Луки 3-й и 4-й ударных армий) ударные группировки Калининского фронта должны были перейти в наступление одновременно. Множественность ударов командованием фронтом оправдывалась необходимостью сковывания резервов противника: «Использование танков оленинского направления будет невозможно в силу сковывания их действиями частей 39-й армии». Наиболее сильной из наступающих армий была 41-я армия генерал-майора Г.Ф.Тарасова. Поскольку 2-й механизированный корпус был исключен из армии Тарасова, подвижная группа создавалась всего одна. В нее входили 1-й механизированный корпус М.Д.Соломатина и 6-й сталинский стрелковый корпус генерал-майора С.И.Поветкина. Последний состоял из одной стрелковой дивизии (150-й полковника Н.О.Груза) и четырех стрелковых бригад (74, 75, 78-й и 91-й). Никаких попыток создать из танковых и стрелковых соединений подобие группы Н.А.Кропотина в 20-й армии для защиты правого фланга сделано не было. Направленные в 41-ю армию по требованию Г.К.Жукова две дополнительные механизированные бригады (47-я и 48-я) оставались в армейском подчинении и четких задач по прикрытию фланга не получали.
