В Ржевско-Вяземском районе был создан классический позиционный фронт с развитой системой укреплений и опорных пунктов по периметру выступа. Узловыми точками немецкой системы обороны были города Ржев — Сычевка — Оленино — Белый, превращенные немцами в мощные бастионы. Основу обороны выступа составляли части 9-й немецкой армии (генерал В. Модель). Для ликвидации выступа в 1942 году советское командование разработало план летней наступательной операции силами Западного и Калининского фронтов.
Однако германское командование упредило готовящийся удар. С 2 по 12 июля 1942 года оно провело операцию «Зейдлиц» по окружению частей 39-й армии (генерал И. И. Масленников), занимавших Холм-Жирковский выступ (между Белым и Сычевкой). Немецким войскам удалось уничтожить окруженную группировку, взяв в плен свыше 30 тыс. чел. Это существенно ухудшило условия для советского наступления, которое, тем не менее, вскоре началось.
30 июля — 23 августа 1942 года Калининский (генерал И. С. Конев) и Западный (генерал Г. К. Жуков) фронты провели Ржевско-Сычевскую наступательную операцию с целью ликвидировать Ржевско-Вяземский выступ. Общая численность наступавших войск составила около 350 тыс. чел. (почти в два раза больше, чем находилось в тот момент на сталинградском направлении). Это был один из первых опытов проведения Красной Армией глубокой наступательной операции. Она предполагала скрытое создание в полосе главного удара решающего перевеса в силах и средствах, длительную артподготовку, пробивание брешей в неприятельской обороне на относительно узких участках с последующим вводом в прорыв подвижных соединений фронта.
30 июля перешли в наступление на Ржев войска Калининского фронта, имевшие на участках прорыва двукратное превосходство над немцами. 4 августа после мощной 1,5-часовой артподготовки (при плотности огня свыше 120 орудий и минометов на 1 км фронта) в районе Погорелого Городища перешли в наступление части Западного фронта. Это был один из первых примеров достижения советскими войсками подобной плотности орудий на участке прорыва. К исходу 5 августа им удалось прорвать полосу немецкой обороны до 30 км по фронту и до 25 км в глубину. На следующий день в прорыв была введена подвижная группа фронта под общим командованием генерала И. В. Галанина (2 танковых и 2 кавалерийских корпуса). Она наступала в направлении станции Сычевка с целью перерезать железнодорожную ветку Ржев — Вязьма.
7–10 августа немцы за счет введенных в бой резервов нанесли контрудар (силами четырех танковых, двух пехотных и одной моторизованной дивизий) по подвижной группе Западного фронта в районе деревень Карманово и Карамзино. Здесь разгорелось крупное встречное сражение. С обеих сторон в нем участвовало свыше 1 тыс. танков. «Повсюду танковое наступление! Потери множились. Одна атака сменялась другой, удар — контрударом. Все атаки были отбиты», — вспоминал о тех днях их участник, командир 6-й немецкой пехотной дивизии генерал X. Гроссман. Немецкие войска, руководимые энергичным командующим 9-й армией генералом Моделем, проявили максимум упорства и сумели отразить советский натиск. Продвижение вперед на сычевском направлении прекратилось. В данный период у немцев уже появилась эффективная противотанковая артиллерия (например, 76-миллиметровые орудия), что вызвало резкий рост потерь советских танков.
Тем временем войска Калининского фронта ликвидировали значительную часть немецкого плацдарма на левом берегу Волги. Но на ближайших подступах к Ржеву их натиск был остановлен. В целом для обороны Ржевско-Вяземского выступа немцы перебросили 12 дивизий (в т. ч. 3 танковые), ослабив сталинградское направление. Тем самым советский натиск не позволил немцам добиться стратегической инициативы и в конечном итоге разрушил их наступательные планы на 1942 год.
К 23 августа оба фронта, исчерпав наступательные возможности, перешли к обороне. В данном наступлении Красная Армия в полной мере столкнулась с «позиционным кризисом», когда противник, опираясь на хорошо подготовленную оборону, мог перебрасывать на угрожаемый участок резервы, уплотнять ими фронт и останавливать продвижение ударной группировки. Тем не менее Ржевско-Сычевская операция позволила Красной Армии отработать основные элементы наступления в глубину обороны противника, которые будут затем успешно использованы советскими войсками в кампаниях 1943–1945 годов.