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:
«Оборонительное сражение подходило к концу, к этому времени противник на московском направлении израсходовал все свои резервы, но прорвать нашу оборону не смог. Наступил и для него момент перехода к обороне. Нужно было сорвать этот план, не позволить закрепиться на захваченных рубежах, и Ставка Верховного Главнокомандования своевременно приняла соответствующее решение.
В контрнаступление войска армии перешли без всякой паузы. Чем дальше они отдалялись от Москвы, тем сильнее сопротивлялся противник. Еще до подхода к волоколамскому рубежу командование фронта стало прибегать к созданию группировок то на одном, то на другом участке, для чего какая-то часть сил из одной армии передавалась в другую. Подобная импровизация обеспечивала некоторый успех местного значения. С выходом же наших войск на волоколамский рубеж стало совершенно ясно, что противнику удалось оправиться от полученного удара и что его оборона становится организованней. Продолжать наступление имевшимися к тому времени у нас силами расчетом на решительный прорыв обороны противника и дальнейшее развитие успеха уже было нельзя. Наступил момент, когда и нашему верховному командованию надлежало подумать об извлечении пользы из одержанных результатов и начать серьезную подготовку к летней кампании 1942 года.