До 10 ноября на великолукском направлении занимали оборону 257-я и 28-я стрелковые дивизии, 31-я стрелковая и 184-я танковая бригады. Передаваемые в 3-ю ударную армию войска сосредоточивались в районе Великих Лук в период с 10 по 24 ноября. Первым 13 ноября прибыл 2-й механизированный корпус И.П.Корчагина. Корпус имел полную штатную численность — 13 620 бойцов и командиров. В корпусе насчитывалось 215 танков, в том числе 112 Т-34. Однако 400-километровый марш в труднопроходимой местности привел к выходу из строя 54 из 215 танков и 300 из 650 автомашин корпуса. В последующие несколько дней прибыли части и соединения 5-го гвардейского стрелкового корпуса А.П.Белобородова.
Согласно подготовленному штабом 3-й ударной армии план операции главный удар наносился частями 5-го гвардейского стрелкового корпуса (357-я стрелковая и 46-я гвардейская стрелковая дивизия) на фронте 12 км в общем направлении на Остриань. После овладения рубежом оз. Кислое, Бутитино главные силы должны были развивать успех на Новосокольники, а части 381, 257-й и 357-й стрелковых дивизий — окружить и уничтожить противника в Великих Луках.
2-й механизированный корпус, составляя резерв командующего армией, сосредоточивался в районе совхоза Ушицы, Щерганиа и предназначался для парирования ударов противника из района Великих Лук, а в случае необходимости — для развития успеха. 31-я стрелковая бригада обеспечивала правый фланг ударной группировки.
Таким образом, построение войск 3-й ударной армии предусматривалось в один эшелон. 2-й механизированный корпус должен был или выполнить роль «пожарной команды», или входить в чистый прорыв. Как мы увидим ниже, это обстоятельство существенно повлияет на общий ход развития событий.
Основным противником войск 3-й ударной армии была 83-я пехотная дивизия и 336-й охранный батальон. Дивизия обороняла фронт 125 км, который прикрывался цепочкой опорных пунктов. Поскольку вскоре 83-я дивизия должна была наступать, ее основные силы были собраны в районе Великих Лук. Здесь же находилась батарея 210-мм мортир. Дивизией командовал генерал-лейтенант Шерер, ставший известным благодаря удержанию Холма зимой 1942 г. 3-я горная дивизия находилась в районе Новосокольники, в ближнем тылу. Также на подходе были 8-я танковая, 291-я пехотная и 20-я моторизованная дивизия. В связи с возникшим под Сталинградом кризисом Э. фон Манштейн будет направлен командовать группой армий «Дон» и не будет принимать участия в руководстве обороной в районе Великих Лук.
Операция началась 24 ноября в 11.00 утра, когда передовые отряды 357-й стрелковой, 9, 46-й и 21-й гвардейских стрелковых дивизий начали разведку боем переднего края противника. С утра 25 ноября в наступление перешли главные силы великолукской группы 3-й ударной армии. 5-й гвардейский стрелковый корпус успешно наступал в общем направлении на запад, поворачивая своим правым крылом (9-я гвардейская, 357-я стрелковая дивизии) в обход Великих Лук. В обход города с севера наступала 381-я стрелковая дивизия, которая уже в первый день наступления перерезала дорогу Великие Луки — Насва. В ночь на 28 ноября 357-я стрелковая дивизия перерезала железную дорогу Великие Луки — Новосокольники. Передовые отряды вышли в тыл немцам и перерезали коммуникации даже раньше. Уже в 12.00 27 ноября командование 83-й пехотной дивизии сообщило в штаб корпуса, что Великие Луки окружены. Командование гарнизоном в Великих Луках принял командор 277-го пехотного полка подполковник Эдуард Барон фон Засс.
Тем временем 27 ноября командующий армией решает в образовавшийся в центре фронта противника прорыв ввести 18-ю механизированную бригаду 2-го механизированного корпуса. Бригаде на день 28 ноября ставилась задача захвата Новосокольников. Однако только в 16.00 бригаде удалось подойти к железнодорожному узлу Новосокольники, где она встретила сопротивление частей 3-й горной дивизии немцев. Попытки захватить Новосокольники в течение 29 и 30 ноября успеха не имели. Израсходовав боеприпасы, бригада перешла к обороне. Вскоре к Новосокольникам вышли стрелковые соединения корпуса А.П.Белобородова. Так был образован внешний фронт окружения.