В период с 17 по 20 декабря войска 1, 20 и 16-й армий преследовали противника. Власов направил основные усилия своей армии на овладение Волоколамском, приказав в тесном взаимодействии с соседями справа (1-я ударная армия) и слева (16-я армия) к исходу 17 декабря овладеть городом, а к исходу 18 декабря главными силами выйти на линию Шаховская, Андреевское, Чернево. Овладение Волоколамском возлагалось на группу генерала Ремизова. Однако немцы упорно сопротивлялись и бои за Волоколамск затянулись. Группа генерала Катукова из 16-й армии в 21 час 17 декабря с рубежа Деньково-Рождествено повела совместно с группой генерала Ремизова наступление на Волоколамск. Бои продолжались и 18 декабря. Во второй половине дня 19 декабря части группы Ремизова совместно с частями 64-й стрелковой бригады заняли Пушкари, развивая наступление на Волоколамск с севера и от Ченцы с северо-востока. Группа генерала Катукова к исходу 19 декабря вела бой на подступах к городу, развивая удар из района Ядрово, Язвище.
В 6 часов утра 20 декабря части 20-й армии — 64-я стрелковая бригада и группа генерала Ремизова — во взаимодействии с группой генерала Катукова овладели Волоколамском, выбив оттуда остатки 106-й пехотной и 5-й танковой дивизий и захватив богатые трофеи. А. А. Лобачев так описывал освобождение города: «Для обхода Истринского водохранилища с севера и с юга был предпринят маневр подвижными группами. Группа генерала Ремезова обошла 17 декабря истринскую позицию и совместно с частями 20-й армии создала угрозу врагу с севера. Группа генерал-майора Катукова, миновав стороной истринскую позицию, переправилась через реку на участке 5-й армии и повисла над противником с юга. Танкисты блестяще выполнили задание и уже вечером 17 декабря двинулись в обход Волоколамска. Как и на Истринском водохранилище, командарм запретил танковым соединениям ввязываться во фронтальные бои с противником и вести атаку опорных пунктов в лоб. 19 декабря под утро, когда еще не рассвело, в городе начались бои. Впереди двигались танки, за ними — автоматчики. С чердаков, из подвалов стреляли гитлеровцы. Но огонь постепенно затихал: противник под покровом темноты оставлял город».
К исходу 21 декабря и в первой половине 22 декабря 1, 20 и 16-я армии достигли рубежа рек Лама и Руза. 16-я армия наступала на всем фронте, но из-за упорного сопротивления противника больших успехов не имела. Температура 25–35 градусов ниже нуля и глубокий снег затрудняли наступление. Противник оборудовал узлы сопротивления в населенных пунктах, создавал минные и иные заграждения. В результате с ходу прорвать немецкую оборону не удалось. Боевые действия приняли затяжной характер. Безрезультатные атаки на немецкие позиции продолжались в конце декабря и в первой декаде января.
К концу декабря советскими войсками под Москвой было захвачено 314 танков, 517 орудий, 35 бронемашин, 67 минометов, 451 пулемет, 400 автоматов, 3960 автомашин, 841 мотоцикл, 1044 велосипеда, 15 радиостанций, 1529 винтовок, 1 миллион патронов, 35 тысяч снарядов. Небольшое число трофейного стрелкового оружия показывает, что потери в живой силе у немцев были не так велики, как говорилось в советских сводках.
В конце декабря в директиве № 016/оп Жуков отмечал: «В ряде случаев продолжают иметь место лобовые атаки на укрепленные противником населенные пункты, что приводит только к излишним потерям и замедлению темпов наступления. Приказываю строго потребовать от начальников всех степеней брать укрепленные узлы противника, обходя их и не задерживая движения вперед передовых эшелонов боевого порядка».
Жуков решил сосредоточить основные силы и средства на фронте одной армии, чтобы добиться успеха. Выбор пал на 20-ю армию, которая прорвала немецкую оборону на Ламе и во второй декаде января преследовала врага в Гжатском направлении. Следом за ней наступали и другие армии правого крыла Западного фронта. В начале января 1942 года против 1-й ударной, 20-й и 16-й армий действовали немецкие войска, имевшие, по оценке советского Генштаба, в боевом составе 34 100 человек, 230 орудий дивизионной артиллерии и 135 танков.
По решению Рокоссовского армия наносила удар правым флангом и к исходу 24 декабря должна была овладеть рубежом Внуково, Бабошино, Милятино. Конно-механизированная группа наносила удар во фланг и тыл противника на Прозорово, Лисавино, Старую Тягу и дальше на Гжатск. Но наступление успеха не имело.
К концу декабря боевой состав частей армии был крайне малочисленным. По донесению генерала Рокоссовского военному совету фронта, «в результате длительных напряженных боев 40-я и 49-я стрелковые бригады понесли большие потери и имели в стрелковых батальонах по несколько десятков бойцов». Войскам приходилось последовательно прогрызать оборону противника, захватывая отдельные блиндажи и огневые точки противника. Боевые действия велись штурмовыми группами против выявленных огневых точек, которые также старалась подавить артиллерия. Армия Рокоссовского несла тяжелые потери. В некоторых ее дивизиях оставшиеся полки были сведены в один сводный батальон (354-я стрелковая дивизия). Большие потери понесла и 18-я стрелковая дивизия, действовавшая с 18-й стрелковой бригадой, которая только в атаках за 3 января 1942 года потеряла 172 человека убитыми, 493 ранеными и 7 обмороженными. На 5 января в 354-й стрелковой дивизии и 146-й танковой, 40-й и 49-й стрелковых бригадах оставалось в наличии 377 штыков и 13 танков (из них только три «тридцатьчетверки»).
6 января Жуков приказал: «1. Ввиду того, что 16 армия задачи по прорыву обороны противника не выполнила, задача прорыва возлагается на 20 армию». В этой связи большинство частей 16-й армии были переданы под командование генерала Власова. Перед оставшимися ставились оборонительные задачи до тех пор, пока не появится возможность использовать прорыв, достигнутый на участке 20-й армии.
В середине января 1, 20 и 16-я армии должны были во взаимодействии с армиями Калининского фронта окружить и пленить лотошинскую и гжатско-вяземскую группировки противника.
20-я армия, получившая дополнительные соединения и средства усиления из других армий, смогла осуществить прорыв на Волоколамско-Гжатском направлении. 17 января были заняты Шаховская и Руза. Развертывалось дальнейшее наступление на Гжатск.
Отходящие немецкие войска 17 и 18 января сильными арьергардами пытались задержать продвижение 16-й армии на рубеже Чернево, Лапино, Леонидово, но безуспешно. Войска Рокоссовского овладели этими населенными пунктами и уже 20 января вели бой за Рептино. 354-я стрелковая дивизия заняла Терехово, Княжево, Игнатково, а 9-я гвардейская стрелковая дивизия заняла Сославино, Исаково, Потапово и продолжала наступление в направлении Мышкина.
В тот же день, 20 января 1942 года, поступила директива военного совета фронта, согласно которой управление 16-й армии с армейскими частями перебрасывалось на новое направление (Сухиничи); оставшиеся же войска армии, как и ее участок фронта, передавались в 5-ю армию.
Таким образом, 16-я армия закончила трехнедельные бои на Гжатском направлении в своем прежнем составе. Она продвинулась центром на 15 километров, а флангами — на 22–25 километров, имея средний темп наступления 3–5 километров в сутки. Фактически наступление уже выдохлось. Достигнутый небольшой территориальный выигрыш не оправдывал понесенных армиями Западного фронта огромных потерь в живой силе. Войска постоянно гнали в наступление. Не было времени как следует наладить взаимодействие родов войск, обучить пополнение. Рокоссовский неоднократно указывал Жукову на необходимость прекратить наступление, сделать более длительную оперативную паузу, чтобы подготовить более эффективный удар по врагу. В неопубликованном при жизни фрагменте мемуаров Рокоссовский писал:
