15 февраля части Холмской группы войск соединились с авангардом 2-го гвардейского корпуса в районе Иваньково.
18 февраля 1942 года на северную окраину Холма двумя батальонами вышла 37-я стрелковая бригада 2-го гвардейского корпуса[47]. Она включилась в общий штурм города. 1-й батальон в 3.00 атаковал Холм и с боем занял квартал № 50. Дальнейшее наступление было остановлено огнем противника. За 18–19 февраля бригада потеряла только убитыми 35 человек. 214-й лыжный батальон занял Орехово. 391-я дивизия овладела одним кварталом на юге города. 1024-й стрелковый полк овладел больницей и электростанцией (кварталы № 32 и 33). 1278-й стрелковый полк вел ожесточенный бой за южные кварталы № 28 и 30.
19 февраля состоялся решающий штурм города, но оказавшийся безуспешным. 20 февраля после артподготовки 391-я, 33-я сд и 37-я сбр вновь атаковали врага, но продвинуться не смогли. За период боев с 18 по 21 февраля части 33-й стрелковой дивизии овладели двумя кварталами на востоке города.
После очередного штурма 21 февраля войска Холмской группы остановились вследствие больших потерь и закреплялись на занятых рубежах. На поддержку 391-й дивизии прибыл 951-й артполк, но из-за отсутствия опыта огня по закрытым целям в боях не участвовал.
22 февраля прибыл 1280-й стрелковый полк (1-й батальон прибыл еще 12 февраля). На основании боевого распоряжения командующего 3-й Ударной армией № 0381 от 21.02.1942 он передавался в 33-ю стрелковую дивизию. 26 февраля он был возвращен в 391-ю. При этом 1-й батальон уже вел бой в районе Куземкино. 2-й батальон был придан 164-му полку 33-й дивизии. 3-й батальон – 73-му полку. 23 февраля 1-й батальон и спецподразделения 37-й бригады были выведены из штурмовой группировки и направлены на подготовку круговых оборонительных позиций Иваньково – Пронино – Куземкино. Им в помощь были выделены 1-й батальон 1280-го полка и 213-й лыжный батальон. В Орехово готовил позиции 212-й лыжный батальон. 24–25 февраля 2-й батальон 37-й бригады, два полка 391-й дивизии и 33-я дивизия при поддержке 170-го танкового батальона атаковали противника. Батальон 37-й бригады вел ожесточенный бой за овладение кварталом № 54. 613-й артполк подавил артбатарею врага в квартале № 48. 26 февраля батальон 37-й бригады овладел кварталом № 54 и вел бой за квартал № 38. 26–28 февраля 2-й и 3-й батальоны 1280-го стрелкового полка 391-й дивизии вновь атаковали Холм и очистили от немцев три квартала (№ 18, 22, 25) – от улицы Спартаковской до Съездовской. Находящийся в боевых порядках пехоты, был тяжело ранен начальник разведки 2-го дивизиона ст. лейтенант В. Цимбаленко. 1 марта была произведена ночная атака, в ходе которой роте лейтенанта Н. И. Янова из 391-й дивизии удалось захватить квартал, ограниченный улицами Пионерской, Пролетарской и Октябрьской. Отсюда до Ловати оставался всего один квартал. В гитлеровской комендатуре автоматчики захватили немецкого лейтенанта вместе со знаменем части, которое он охранял. Один этот эпизод характеризует героизм бойцов 391-й дивизии, и таких эпизодов в период боев за Холм было много. Потери 391-й дивизии за февраль 1942 года составили 3,5 тысячи человек, до 30 минометов, 3 76-мм полковые пушки, 3 45-мм противотанковые пушки, более 10 ПТР.
В течение февраля 1942 года 613-й артполк уничтожил до 10 орудий противника, сбил 2 транспортных самолета, разгромил и уничтожил до 100 огневых точек и блиндажей противника[48]. Благодаря мастерской работе вычислительного отделения РАД у города Холм было подавлено 3 артиллерийские батареи противника[49]. В ходе оборонительных и наступательных боев ремонтная бригада парковой батареи из последних сил восстанавливала автомашины («Хеншель») и трактора (ЧТЗ-65), нередко на смекалке и подручном материале, чем обеспечивала передвижение боевых средств полка[50].
В начале марта, после роспуска Холмской группы, 33-й и 391-й дивизиям была поставлена задача – рядом последовательных операций по захвату отдельных объектов сопротивления противника выйти на восточный берег реки Ловать. Дивизии, понесшие большие потери в предыдущих боях, были усилены 228-м лыжным батальоном. На поддержку был выдвинут 603-й минометный полк РГК. 1–2 марта штурм города откладывался из-за отсутствия боеприпасов для артиллерии. К северо-западу от Холма сосредоточилась вся 37-я стрелковая бригада (без 3-го батальона). В 22.00 3 марта штурм Холма возобновился. 37-я бригада в ожесточенном бою утром 4 марта захватила Холмский аэродром. С этого дня снабжение германского гарнизона шло только с помощью парашютных контейнеров. Утром 4 марта бригада вела бой за кварталы № 36, 40, 47. 5 марта 1942 года Гитлер отдал приказ о жесткой обороне города, поддержке его с воздуха и потребовал скорейшей его деблокады. Боеприпасы и продовольствие доставлялись по воздуху 300 самолетами «He-111», «Ю-52» и планерами.