Очередной большой станцией на пути двигавшихся вдоль железной дороги Осташков — Великие Луки главных сил 4–й ударной армии стал город Торопец. В гарнизон города входили части 403–й охранной дивизии и остатки 123–й пехотной дивизии. Одним из стимулов к быстрейшему взятию Торопца было наличие в нем крупных немецких складов продовольствия. Коммуникации 4–й ударной армии были сильно растянуты, снабжение плохим, и возможность получить богатые трофеи никто не собирался упускать. Лидером наступления вновь стала 249–я стрелковая дивизия Г. Ф. Тарасова, которая к 19 января вышла на подступы к Торопцу. Вскоре к ней присоединилась 48–я стрелковая бригада. С утра 20 января начался штурм, и уже к 14.00 дивизия Тарасова захватила депо и склады. Одновременно к городу подтянулись 39–я стрелковая бригада и части 360–й стрелковой дивизии. К 10.00 21 января Торопец был полностью очищен от противника. В городе были взяты богатые трофеи: шесть танков, 723 автомашины, 450 тыс. снарядов, несколько миллионов патронов, 1000 бочек с горючим. Главным трофеем стали 40 складов с продовольствием, на несколько месяцев ставших основным источником снабжения 4–й ударной армии. Одновременно были вновь грамотно использованы 67–й и 68–й лыжные батальоны. Они были направлены на юг и захватили станцию Старая Торопа. Тем самым была перехвачена железная дорога, шедшая из Великих Лук в Ржев и являвшаяся важной транспортной артерией левого фланга группы армий «Центр». Однако на фоне удачных действий острия наступления армии, А. И. Еременко все больше беспокоил растянутый левый фланг. Разрыв между 4–й ударной и 22–й армиями существенно сдерживал продвижение войск А. И. Еременко на юг. Армия была вынуждена выделять значительные силы: 332, 258 и 334–ю стрелковые дивизии и 21–ю стрелковую бригаду. Глубокое продвижения в бедном дорогами районе привело к отставанию артиллерийских полков на 60—80 км от основных сил армии. Отстал также приданный 4–й ударной армии 171–й отдельный танковый батальон (12 танков Mk.II «Матильда», 9 Mk.III «Валентайн» и 10 Т–60). С выходом на рубеж железной дороги Великие Луки — Ржев на участке от Старой Торопы до Западной Двины Торопецко–Холмская операция для 4–й ударной армии по большому счету завершилась. Последующее наступление армии А. И. Еременко иногда выделяют в отдельную, так называемую Велижскую операцию.
Понимая необходимость перенарезки разграничительных линий между армиями в связи с изменившейся в ходе наступления Северо–Западного фронта обстановкой, советское командование приняло соломоново решение. 22 января по указанию Ставки ВГК 3–я и 4–я ударные армии были переданы в состав Калининского фронта. Из состава войск 3–й ударной армии в состав 34–й армии Северо–Западного фронта ушли 20–я, 27 и 42–я стрелковые бригады и 23–я стрелковая дивизия, которые вели бои фронтом на север с демянской группировкой немцев. Так Калининский фронт стал одним из самых нагруженных и разбросанным в пространстве советских фронтов. Он оставался таким весь 1942 г.