Противник, занимавший оборону перед 30-й и 29-й армиями, располагал восемью пехотными и тремя танковыми дивизиями из состава 9-й немецкой полевой армии. Заблаговременно подготовленные оборонительные рубежи были эшелонированы в глубину. На них имелись опорные пункты с окопами полного профиля и деревоземляными огневыми точками (дзот). Подступы к ним прикрывались минными полями и проволочными заграждениями.
В первый день наступления, 30 июля, в полосе наступления Калининского фронта в обороне противника была образована брешь шириной 9 км с наибольшим продвижением в центре — на 6 км. На угрожаемое направление немецкое командование перебросило резервы и не только стабилизировало положение, но и на исходе дня предприняло ряд контратак. Попытки углубить и расширить прорыв на второй и третий день наступления дали незначительные результаты.
Войска Западного фронта перешли в наступление 4 августа. Уже в первый день в районе поселка Погорелое Городище оборона противника была прорвана и на отдельных участках соединения и части продвинулись на глубину 8–11 км. А к утру второго дня наступления удалось прорвать всю главную полосу вражеской обороны, расширить прорыв до 16 км. К исходу дня 5 августа советские войска, увеличив участок прорыва вражеской обороны до 30 км по фронту и 25 км в глубину, вышли на подступы к рекам Вазуза и Гжать, где встретили сопротивление выдвигавшихся резервов группы армий «Центр». Командование 9-й немецкой полевой армии стремилось быстрым выдвижением резервов на рубеж рек Вазуза и Гжать упредить советские войска в захвате плацдармов на них и полностью остановить здесь их дальнейшее продвижение.
Вплоть до 7 августа, не стихая ни на мгновение, велись бои севернее Ржева. По нескольку раз в сутки танковые и стрелковые части шли в атаку или отражали неоднократные контратаки врага. Крайне тяжелая для советских войск обстановка сложилась и в 6–7 км севернее Ржева, где все населенные пункты были превращены немецкими войсками в мощные узлы сопротивления.
Командование 30-й армии, соединения которой штурмовали вражеские укрепления, вынуждено было остановить наступление, провести перегруппировку и перенести направление удара на левый фланг армии.
Подвижная группа фронта (два танковых и один кавалерийский корпуса), введенная в сражение 5 августа, с трудом преодолевала бездорожье и не смогла выйти к р. Вазуза.
С 7 по 10 августа на подступах к рекам Вазуза и Гжать развернулось крупное встречное сражение. 8 августа в сражение была введена также 5-я армия Западного фронта. Однако советским войскам не удалось добиться значительных территориальных успехов. Однако они сорвали контрудар противника, нанесли ему поражение и вынудили перейти к обороне.
Командование группы армий «Центр» вынуждено было принимать экстренные меры, чтобы предотвратить разгром своей группировки и сохранить важный выступ фронта, откуда открывался один из кратчайших путей на Москву. В связи с тем, что в результате наступления войск Западного фронта в районе Сычевки создалась угроза отсечения соединений 9-й полевой армии в северной части Ржевского выступа, немецкое командование приняло решение нанести контрудар по советским войскам в общем направлении на Погорелое Городище.
Однако 7 и 8 августа контратакующие части и соединения 9-й немецкой полевой армии были остановлены и отброшены назад.
Боевые действия в полосе наступления войск Калининского и Западного фронтов продолжались с переменным успехом. Постепенно наступление ударной группировки Западного фронта затухало. Войска его правого крыла продолжали вести бои за расширение захваченных на левых берегах Вазузы и Гжати плацдармов. К 23 августа войска вышли на подступы к Ржеву и к Волге. Попытки форсировать ее с ходу не удались. На этом наступательные возможности советских войск были исчерпаны и они перешли к обороне. На этом летняя операция войск западного направления закончилась.
Если в полосе Западного фронта после 23 августа активные боевые действия в основном прекратились, то на Калининском фронте, в полосе войск, действовавших на ржевском направлении, бои не утихали и после завершения Ржевско-Сычевской операции.
В целом, в результате ожесточенных боев, продолжавшихся до 6 сентября, советские войска ликвидировали плацдармы противника на левом берегу Волги северо-восточнее Ржева, подошли к железной дороге Ржев — Сычевка, затруднив снабжение вражеских войск.
Несмотря на то что Калининский и Западный фронта полностью не выполнили поставленных перед ними задач, их действия имели важное значение. В ходе боевых действий войска фронтов привлекли к себе основные силы немецкой группы армий «Центр», что не позволило перебросить крупные силы врага, в том числе 39-й и 46-й танковые корпуса, с центрального направления на юг. Эти корпуса «и несколько пехотных дивизий, которые уже готовились к переброске на Южный фронт, были задержаны и введены сначала для локализации прорыва, а затем для контрудара»[36]. Вместе с тем такой результат был достигнут значительными потерями советской стороны: в период с 30 июля по 23 августа 1942 г. урон двух фронтов в людях составил 193 683 человека, из них 51 482 — безвозвратно[37].