Однако переброшенные на рубеж Гжати и Вазузы немецкие танковые и пехотные дивизии создали перед наступающими советскими войсками довольно плотную оборону. Понесенные в ходе прорыва обороны потери уже не благоприятствовали дальнейшему развитию операции.
Наступление к северу от Ржева. 30 июля в 6.30 утра 30-я и 29-я армии Калининского фронта начали полуторачасовую артиллерийскую подготовку. Участники этих событий по обе стороны фронта утверждают, что такой мощной артиллерийской подготовки им раньше видеть не приходилось.
К концу первого дня наступления войска 30-й армии прорвали оборону 256-й и 87-й пехотных дивизий VI армейского корпуса на фронте 9 километров и на глубину 6–7 километров. До Ржева оставалось 6 километров. Однако преодоление этих километров растянулось на месяц. Участок прорыва определился, и со всех сторон к нему потекли резервы. 6-я пехотная дивизия генерала Гроссманна, которая лишь 24 июля было отведена со своей позиции на северо-востоке от Ржева в место отдыха и укомплектования западнее Сычевки, была вынуждена развернуться назад и возвращаться в Ржев. Как наиболее мобильные пехотные подразделения, к Ржеву перебрасывались разведывательные батальоны соединений 9-й армии. 31 июля разведывательный батальон 328-й пехотной дивизии высадился в Ржеве и перешел в подчинение 256-й дивизии. Серьезным аргументом против советских танков были САУ StuGIII 189-й батальона штурмовых орудий, приданные соединениям VI корпуса.
Стягивавшиеся со всего периметра Ржевского выступа соединения собирались в 6–7 километрах севернее Ржева в узле сопротивления, построенном на деревнях Полунино, Галахово и Тимофеево. Здесь была классическая полевая оборона, совершенствовавшаяся несколько месяцев: сплошные минные поля, густая сеть ДЗОТов, колючая проволока в 3–4 ряда. Дивизии ударной группировки 30-й армии наступали на деревню Полунино и ставшую печально известной «высоту 200». Из соседних деревень Федорково и Горбово немцы вели по наступающим на Полунино советским частям фланкирующий огонь.
Один из участников летнего сражения под Ржевом с немецкой стороны, командир батальона Хоке из 6-й пехотной дивизии, позднее так описал эти бои: «Это больше не было войной автоматов и пулеметов, ручных гранат и пистолетов, как зимой. Это был «Materialschlacht», битва техники Первой мировой войны, битва, в которой атакующий пытался уничтожить противника сталью, ливнем стали, летящей в воздухе и несущейся на гусеницах, когда человек вмешивался только в последний момент, чтобы уничтожить на этом лунном пейзаже то, что еще выжило в мясорубке».
Не добившись продвижения в направлении Полунино, приостановив наступление, командование 30-й армии 7–9 августа произвело перегруппировку войск с целью изменения направления главного удара. Было принято решение наступать левым флангом армии в обход Ржева. 10 августа 30-я армия Калининского фронта начала второй этап наступления на Ржев. Главный удар левым флангом армии в направлении Грибеево — аэродром — Опоки — Ржев. В левофланговую группу вошли 6 стрелковых дивизий, 3 стрелковые и несколько танковых бригад. В тот же день, 10 августа, вернувшись из отпуска по лечению (он был ранен во время полета на связном самолете в мае 1942 г.), в 9-ю армию вернулся ее командующий генерал-полковник Вальтер Модель и застал ситуацию, «которой едва ли можно было овладеть».
В 7.00 утра 10 августа после часовой артподготовки войска 30-й армии на всем фронте перешли в наступление. С 15 до 18 августа шли ожесточенные бои в районе деревни Демкино. Этот район являлся ключом для выхода наступающих советских войск к Волге.
20 августа 256-й пехотной дивизии пришлось под нажимом 30-й армии отступить и отойти на южный берег Волги. 21 августа это заставило оборонявшуюся справа от нее 14-ю моторизованную дивизию также покинуть северный берег. Со всей ее тяжелой техникой и оружием ей удалось переправиться у Матюкова на другой берег по построенному между Ржевом и Зубцовом мосту. Овладев деревнями Архарово, Пудово, Мосягино, Першино, Варюшино и другими, северной частью пригородного аэродрома, левофланговые дивизии 30-й армии к вечеру 21 августа вышли к Волге на фронте Варюшино — Голышкино. Первым к Волге вышел в район Горшково — Горчаково 965-й стрелковый полк 274-й дивизии.
