21 августа части 3-й танковой армии начали занимать исходное положение для наступления, сменяя стрелковые части 61-й армии.
В 6 часов 15 минут 22 августа после полуторачасовой артиллерийской подготовки и налета бомбардировщиков 1-й воздушной армии 154-я и 264-я стрелковые дивизии перешли в наступление. Артиллерийская подготовка оказалась весьма эффективной: противник начал неорганизованно отступать, бросая вооружение, снаряжение и имущество. За первые часы боя обе стрелковые дивизии продвинулись на 3–4 км при незначительном сопротивлении противника. Командующий армией с целью развития успеха решил ввести в сражение танковые корпуса.
В 10 часов части 12-го танкового корпуса генерала С.И. Богданова начали выдвижение из исходного района. Однако противник к этому времени сумел оправиться от внезапности нанесенного удара. Его авиация, господствуя в воздухе, предприняла 500–600 самолето-вылетов для воздействия на боевые порядки стрелковых дивизий и 12-го танкового корпуса. Истребительная авиация 1-й воздушной армии не обеспечила должной поддержки с воздуха 3-й танковой армии. В результате темп продвижения ее войск резко снизился, что позволило противнику закрепиться на промежуточных рубежах и ввести в бой свои вторые эшелоны. Наступление превратилось в медленное кровопролитное «выдавливание» с позиций упорно оборонявшегося противника.
На правом фланге 3-й танковой армии наступал 3-й танковый корпус. Его командир около полудня 22 августа доложил генералу Романенко о захвате Сметских Выселок. В этой связи командующий армией решил немедленно перебросить 15-й танковый корпус генерала В.А. Копцова и 1-ю Московскую Краснознаменную гвардейскую мотострелковую дивизию на правый фланг армии и развивать наступление в направлении Сметские Выселки, Слободка. В два часа дня 17-я мотострелковая бригада, 13-я и 105-я танковые бригады 15-го танкового корпуса перешли в наступление с рубежа восточнее Сметских Выселок. К исходу дня 1-я Московская Краснознаменная гвардейская мотострелковая дивизия вышла к лесу северо-восточнее от Сметских Выселок, а 15-й танковый корпус продвигался в направлении р. Вытебеть. Части 264-й стрелковой дивизии овладели районом Озерна, Госьково, а 12-й танковый корпус передовыми бригадами вышел на рубеж, достигнутый 154-й и 264-й стрелковыми дивизиями.
Генерал Романенко, оценив сложившуюся обстановку, приказал стрелковым дивизиям 23 августа продолжить выполнение ранее поставленных задач. 15-му танковому корпусу и 1-й Московской Краснознаменной гвардейской мотострелковой дивизии предписывалось развивать наступление в направлении Слободки. 12-му танковому корпусу предстояло сосредоточиться в лесу в 3 км к западу от Озеренского и после занятия частями 154-й стрелковой дивизии Бабинково наступать в направлении Дебри.
Однако боевые действия с утра 23 августа приняли затяжной характер. Противник силами до батальона пехоты при поддержке 30–40 танков и авиации неоднократно предпринимал контратаки с целью восстановить утраченное положение. Кроме того, с 24 августа войска армии стали испытывать нехватку артиллерийских снарядов. К этому времени соединения 31-й армии Западного фронта при помощи войск 29-й армии Калининского фронта освободили 23 августа Зубцов, а войска 20-й армии – Карманово. На этом наступательные возможности войск были исчерпаны, и они перешли к обороне.
В ходе Ржевско-Сычевской наступательной операции войска Западного и Калининского фронтов продвинулись на 30–45 км, ликвидировали плацдарм противника на левом берегу Волги в районе Ржева, сковали крупные силы группы армий «Центр» и вынудили противника перебросить в этот район 12 дивизий с других участков советско-германского фронта. При этом Г.К. Жуков был уверен: «Если бы в нашем распоряжении были одна-две армии, можно было бы во взаимодействии с Калининским фронтом не только разгромить ржевскую группировку, но и всю ржевско-вяземскую группу немецких войск и значительно улучшить оперативное положение на всем западном стратегическом направлении. К сожалению, эта реальная возможность Верховным Главнокомандованием была упущена»
