Войска группы армий «Центр», стремясь удержать Вязьму, оказали армиям Калининского и Западного фронтов ожесточенное сопротивление. Им удалось отбросить на север 11-й кавалерийский корпус Калининского фронта, сорвать наступление на Вязьму ударной группы 33-й армии и группы войск генерала Белова, которые были отсечены от основных сил Западного фронта. Генерал армии Жуков все происходившее под Вязьмой не воспринял всерьез, а когда он понял свою ошибку, то все попытки оказать помощь окруженным войскам не привели к успеху.
Наряду с контрударами под Вязьмой противник внезапно атаковал главную группировку войск Калининского фронта и отрезал 29-ю и 39-ю армии (всего – четыре дивизии из семи) вместе с 11-м кавалерийским корпусом от основных сил фронта. В последующем, развивая успех, противник 5 февраля замкнул кольцо окружения вокруг 29-й армии. Более двух недель ей пришлось сражаться в окружении, из которого вышло лишь около 3,5 тыс. человек. Ликвидировав бреши под Юхновом и Ржевом, командующий группой армий «Центр» сумел восстановить сплошную линию фронта.
В начале февраля 1942 г. становилось все более очевидным, что наступательный потенциал войск Западного стратегического направления исчерпан. Несмотря на требования Сталина силами Западного и Калининского фронтов разгромить ржевско-вяземско-юхновскую группировку противника, эту задачу к началу марта решить не удалось. Десант (более 7 тыс. человек из состава 4-го воздушно-десантного корпуса), высаженный в районе Юхнова, попал в окружение. Все попытки войск Западного фронта соединиться с окруженными под Вязьмой 33-й армией, группой войск генерала Белова и десантниками не привели к успеху. В ночь на 14 апреля соединения 33-й армии предприняли прорыв из вражеского кольца. Это удалось сделать лишь незначительной части ее войск. Генерал М. Г. Ефремов был тяжело ранен и, не желая попасть в плен, 19 апреля застрелился. Кавалерийский корпус генерала П. А. Белова и воздушно-десантные части смогли выбраться из окружения. 20 апреля войска Западного направления перешли к обороне.
В итоге Ржевско-Вяземской стратегической наступательной операции советские войска продвинулись на витебском направлении на 250 км, на гжатском и юхновском – на 80—100 км, освободили Московскую, Тульскую и ряд районов Калининской и Смоленской областей. Однако главную задачу – окружить, пленить или уничтожить ржевско-вяземскую группировку противника – выполнить не удалось. Потери войск Калининского и Западного фронтов составили: безвозвратные – 272 320 человек (в том числе на Калининском фронте – 123 380); санитарные – 504 569 человек (в том числе на Калининском фронте – 217 847); в боевой технике – 957 танков и САУ, 7296 орудий и минометов, 550 самолетов.
