«Среди захваченных в последнее время в плен фашистских солдат встречается много людей с физическими недостатками, как-то: отсутствием с раннего детства одного глаза
10 октября «люди с серьезными физическими недостатками» силами 3-й танковой группы и 9-й армии возобновили наступление на калининском направлении против войск правого крыла Западного фронта и 31-й армии Резервного фронта. Через два дня из района юго-западнее Ржева они пробились вдоль Волги на северо-восток и вышли к Калинину. В городе советских войск не было, вся местная милиция и несколько сот работников НКВД сбежали. Никакой эвакуации ценностей не производилось. Наспех собранное ополчение численностью около 1000 человек также разбежалось при первых выстрелах противника. Хотя от Ржева до Калинина были заранее подготовлены довольно серьезные оборонительные сооружения, которые делали сотни тысяч рабочих в течение нескольких месяцев, в них не оказалось ни одного бойца.
13 октября генералом Хоменко к городу были переброшены 5-я и 265-я стрелковые дивизии, которые с ходу вступили в бой с 1-й танковой дивизией Экингера. После двухдневных боев Калинин и невредимый мост через Волгу был оставлен советскими войсками.
Попытка 41-го мотокорпуса развить наступление на Торжок во фланги тыл Северо-Западного фронта была сорвана оперативной группой генерала Н.Ф. Ватутина. В группу входили две стрелковые и две кавалерийские дивизии, 8-я танковая бригада полковника П.А. Ротмистрова и 46-й мотоциклетный полк. Главные силы бригады — около 60 танков и мотоциклетный полк, совершив 240-километровый марш в течение полутора суток, к 14 часам 15 октября вышли на подступы к Калинину, а через два с половиной часа перешли в наступление с целью разгрома противника в северо-западной части города. Ожесточенные бои длились три дня. За Калинин сражалась также и 21-я танковая бригада под командованием полковника Б.М. Скворцова, которая 17 сентября нанесла удар по противнику с юга.
В следующие четыре дня, с 19 по 22 сентября, 8-я танковая бригада, действуя из засад, которые были организованы вдоль шоссе Калинин — Торжок, во взаимодействии с частями 185-й стрелковой дивизии вела бои с прорвавшейся немецкой группировкой северо-западнее Калинина. Танковые бригады на калининском направлении хоть и не выполнили задачу по освобождению города, но сорвали немецкое наступление на северо-восток в направлении на Торжок. 3-я танковая группа, которую теперь возглавлял генерал Рейнгардт, понесла большие потери. Так, в 6-й танковой дивизии, располагавшей 10 октября свыше 200 танками, 16 октября осталось всего 60 готовых к использованию боевых машин, а всего в танковой группе — 259 танков.
17 октября для прикрытия столицы с северо-запада Ставка на базе войск 22-й, 29-й, 30-й и 31-й армий создала Калининский фронт во главе с генералом Коневым. Нависая с севера над группой армий «Центр», войска фронта вынудили германское командование выделить крупные силы для прикрытия левого фланга, что привело к ослаблению наступавшей на Москву главной группировки.
13–18 октября ожесточенные бои разгорелись на московском направлении. Попытка немцев прорваться с запада через Волоколамск не увенчалась успехом. Здесь впервыесоветскими войсками была применена система глубоко эшелонированной противотанковой обороны. Она состояла из противотанковых пунктов и районов, построенных на танкоопасных направлениях на глубину 20–25 км. Для борьбы с танками привлекались все артиллерийские системы, в том числе зенитные орудия и реактивные минометы, были созданы подвижные отряды саперов с минами и подрывными зарядами. Огонь артиллерии массировался на наиболее опасных направлениях, что позволило на время задержать танки противника.