加裏寧方麵軍的第39集團軍在勒熱夫西北突破，占領通向維亞濟馬的大片地域，嚴重威脅德軍在瑟喬夫卡的交通線。德軍迅速空運來2個師的兵力，組成一道新的防線。蘇軍不斷向德軍施加壓力，1月12日，第29集團軍和騎兵第11軍先後投入戰鬥，第22集團軍由謝利紮羅沃地域轉入進攻。德軍誓死抵抗，至1月22日，蘇軍第39集團軍前進80～90公裏，進至德軍勒熱夫集團後方；第22集團軍從西北深遠包圍了奧列尼諾集團。至1月26日前，第22、第29集團軍完成對奧列尼諾地域德軍約7個師的合圍。騎兵第11軍從北麵突至維亞濟馬，切斷了維亞濟馬—斯摩棱斯克公路。加裏寧方麵軍右翼突至維捷布斯克、斯摩棱斯克、亞爾采沃等市接近地，從西北深遠包圍了德軍中央集團軍群。
從東南麵實施突擊的西方麵軍左翼各集團軍進展順利。1月10日前，第10集團軍合圍蘇希尼奇的德軍，解放莫薩利斯克，並進抵基洛夫、柳季諾沃、日茲德拉等市的接近地。第50集團軍和近衛騎兵第1軍突破德軍在尤赫諾夫以南的防線，從南麵和西南麵向德軍第4集團軍約9個師組成的尤赫諾夫集團迂回。第43、第49集團軍則從北麵和東北麵迂回德軍尤赫諾夫集團，於1月19日進抵謝洛基、達曼諾沃、普柳斯科沃一線。第33集團軍在第43、第49集團軍以北向維亞濟馬進攻，在梅登地區的德軍第4裝甲集團軍和第4集團軍之間打入一個楔子，德軍1941年7月21日夜間，德空軍首次空襲莫斯科，被蘇軍擊退。圖為當夜蘇軍的防空火力照亮了克裏姆林宮上空。第4裝甲集團軍司令埃·赫普納大將為避免被圍，下令撤退。1月19日，第33集團軍奪取韋列亞，並繼續向西和西南方向推進。赫普納因擅自撤退被撤職，他的職位由原第5軍軍長裏·魯奧夫接替。不過，魯奧夫也未能守住防線，繼續後撤。
由於德軍的抵抗很頑強，蘇軍第50集團軍未能突破德軍在尤赫諾夫附近的防禦，第10集團軍也未能擊退來自日茲德拉地域的德軍反突擊，隻是到1月29日，在得到第16集團軍的加強後，才奪取蘇希尼奇。到2月初，蘇軍在這裏的進攻基本停止。不過，蘇軍第50、第49、第43集團軍的進攻牽製了德軍尤赫諾夫集團，給尤赫諾夫以北的第33集團軍和尤赫諾夫以南的近衛騎兵第1軍突入德軍後方，向維亞濟馬突擊創造了條件。
戰役的關鍵已經轉到維亞濟馬地區，如果蘇軍突擊成功，加裏寧方麵軍與西方麵軍將在維亞濟馬完成對德軍中央集團軍群的包圍，德軍的處境將十分危險。德軍意識到了這一危險，由於沒有更多的預備隊，從德國或西線調遣預備隊又需較長時間，而且運輸條件較差，預備隊肯定很晚才會到達。到那時，防線恐怕已不複存在了。現在唯一的辦法就是縮短戰線抽調一線部隊充任預備隊。中央集團軍群司令漢斯·京特·克盧格與希特勒多次交涉後，得到希特勒的首肯，同意將部隊撤到事先準備好的冬季陣地，不過，撤退前必須封住缺口。
蘇軍統帥部為了紮緊口袋，命令蘇軍繼續向維亞濟馬突擊。
1月27日，西方麵軍近衛騎兵第1軍在尤赫諾夫西南35公裏處突過了華沙公路，經過3天激戰，在維亞濟馬以南同用於截斷德軍後勤補給線的空降兵部隊、遊擊隊會合。第33集團軍在尤赫諾夫以北的突擊也取得進展，在1月31日到達尚斯基紮沃德和托卡廖夫地區。德軍在這裏沒有建立綿亙防線，朱可夫決定趁德軍未調來預備隊之前攻占維亞濟馬。與此同時，蘇軍最高統帥部為了統一指揮該地區的作戰，於2月1日重建西方向總指揮部，朱可夫擔任總指揮，並指示莫斯科防區的空軍部隊全部投入戰鬥。遵照最高統帥部的指示，遠程轟炸航空兵對德軍在維亞濟馬至奧爾沙，勒熱夫經維亞濟馬至布良斯克，帕夫利諾沃至葉利尼亞等地段的德軍交通線，以及德軍在維亞濟馬、斯摩棱斯克、維捷布斯克和奧爾沙等地域的德軍機場實施了突擊。