В ходе подготовки контрнаступления под Сталинградом советское командование принимало разнообразные меры по всесторонней дезинформации противника. Оно старалось ввести германское командование в заблуждение относительно своих стратегических планов и убедить его, что западное направление станет основным направлением советских действий.

С этой целью сосредоточение войск, которым предстояло наступать под Сталинградом, осуществлялось скрытно, а открыто войска перевозились на Калининский и Западный фронты, где готовилась Ржевско-Сычевская операция. Осуществлялись также утечки соответствующей «секретной» информации. По данным советской агентурной разведки, все эти усилия достигли цели. Германское командование пришло к выводу о неспособности Красной армии вести крупные наступательные операции осенью – зимой 1942 года. Допускалась лишь возможность отдельных наступательных операций между Ржевом и Великими Луками. Для усиления группы армий «Центр» в район Смоленска и Витебска из Германии и с других участков фронта было переброшено 16 дивизий. Чтобы сковать как можно больше сил группы армий «Центр» и не допустить их переброски под Сталинград, первоначальный замысел Ржевско-Сычевской операции был изменен, и было решено нанести еще один вспомогательный удар на великолукском направлении. Операция проводилась силами 3‐й ударной армии, частью сил 43‐й армии, других соединений и частей из состава Калининского фронта (командующий – генерал-полковник М.А. Пуркаев) и Резерва Ставки.

Противник оборонялся на хорошо подготовленных позициях. Первый рубеж немецкой обороны проходил в двух-трех километрах от Великих Лук. Второй рубеж включал окраины города и примыкавшие к ним населенные пункты. К обороне были приспособлены также многие здания в самом городе.

Операция началась 24 ноября, когда начали действовать передовые отряды советских войск. На следующий день в сражение вступили главные силы. Наступая в трудных условиях лесисто-болотистой местности, советские войска преодолели ожесточенное сопротивление противника и 28 ноября окружили его группировку в Великих Луках. Продолжив наступление, к 10 декабря они продвинулись на 25–30 км и на двух участках южнее и севернее Новосокольников перерезали железную дорогу, связывавшую немецкие группы армий «Север» и «Центр». Германское командование перебросило на великолукское направление несколько соединений и предприняло попытки деблокировать окруженные в Великих Луках войска. В течение месяца противник наносил контрудары по флангам наступавших советских войск и в итоге смог на узких участках фронта продвинуться до 15 км и выйти на подступы к городу, однако соединиться с окруженной группировкой ему не удалось.

Чтобы избежать кровопролития, советское командование через парламентеров передало начальнику немецкого гарнизона подполковнику фон Засу предложение о капитуляции. Оно было отклонено, и советские войска приступили к ликвидации противника. 17 января 1943 года после тяжелых боев остатки 7‐тысячного немецкого гарнизона были окончательно уничтожены, и Великие Луки были освобождены. 20 января 1943 года продолжавшаяся около двух месяцев Великолукская операция закончилась.

В общей системе стратегических действий, проводимых на западном и северо-западном направлениях, Великолукская операция сыграла большую роль. С ликвидацией великолукского плацдарма, за который ожесточенно бились немецкие войска, утратили свое значение демянский и ржевско-вяземский выступы. Активными действиями войска Калининского и Западного фронтов сковали до 30 дивизий противника, не позволив перебросить их под Сталинград, и тем самым внесли значительный вклад в победный исход Великой битвы на Волге.