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.