由于消息封锁得很严密，朱可夫本人并不知道布良斯克方面军投诚的消息，他的全部注意力在于西北战线的进攻和中央战线的维持，根本无暇分心他顾。
基希纳对图拉、梁赞一线的进攻还有力地牵制了红军对维亚济马一线的进攻，迫使这个代号为“小火星”的反攻计划推进得很不顺利，小火星战役的参战部队虽然包括西北、西两个方面军，但因为南翼兵力牵制和组建莫斯科方面军抽调了大量兵力，实际投入作战的总兵力不到80万，火炮超过10000门，坦克1300多辆。
梅列茨科夫高度重视第9集团军的战斗力，无论兵力还是技术兵器都调集了超过舍尔纳所部的一倍以上的力量，但在具体战役执行过程中，一线部队指挥官仍然低估了德军防守的坚韧和反击能力——第9集团军据守维亚济马一线已超过一年，不但对这块战场了如指掌，而且拥有非常完善的防御体系。
山地步兵出身的舍尔纳依托地形构筑纵深防御，将城镇、乡村修建成要塞据点支撑防线，精确部署了交叉火力网杀伤突破敌军。同时他还针对维亚济马一线有大批沼泽、进攻通道狭窄的特点，放弃主动出击，专心将各种反坦克火力埋伏起来打反击，有一辆突击者坦克歼击车在一天之内摧毁了23辆T-34并最终全身而退，取得了令人瞠目结舌的结果。
在战役开始后，舍尔纳不但额外得到2个航空联队的支援，总参谋部还源源不断将后续兵力调遣给他。除一开始的第2装甲师外，又将第3装甲集团军中的第10装甲师及几个预备队步兵师交给了舍尔纳，让第9集团军的兵力始终保持在30万上下。更重要的是，德军牢牢掌握了战场上空的制空权。等到坦波夫包围圈问题得到基本解决时，劳斯的第3装甲集团军全部主力都开始向维亚济马方向转移。
红军西北集团军的第39集团军在西北部发动牵制性进攻，突入德军防线10公里以后便停滞不前。维亚济马东侧，隶属西方面军的第20、31集团军总共20万官兵，在500辆坦克的支持下发动正面强攻，经过3天激战，第31集团军无法撼动德军第102步兵师扼守的防线，裹足不前。第20集团军的第一攻击波突破了德军前沿防线，由第6坦克军和第2近卫骑兵军组成的第二攻击波立刻向纵深挺进，准备切断德军的生命线——勒热夫-维亚济马铁路。
但这些费尽千辛万苦突破的红军一路遇到星罗棋布的德军据点，遭受来自四面八方的火力阻截，暴露在交叉火力下的部队伤亡惨重。德军第2装甲师和第78步兵师沿铁路南北对进，发动凌厉反击，切断了突破敌军的后路。6月10日晚，突破红军不得不放弃原计划向东突围，经苦战返回本方防线——激战7天后，该集团军伤亡3万余人，损失200辆坦克，无力再战。
西北方面军部署在东北方的第41集团军打得略好一些，第1机械化军冲开一个宽达20公里的缺口，突入德军防线40公里，连同第22集团军第3机械化军冲开一个宽8公里、深15公里的缺口。但令人意想不到的是，被冲破缺口的德军防线弹性十足，舍尔纳不断指挥部队向后弯曲，却保持防线不断裂。德军第246步兵师虽然身陷重围，却依托坚固工事沉着应战，吸引了苏军大量预备兵力。突破进来的苏军第1、3机械化军遭到德军第10装甲师猛击，举步维艰。
到6月14日，也就是布良斯克方面军投诚的前一天，苏军在维亚济马东、北、南三面都取得了一定进展，但均因德军顽强的纵深防守而显露疲态，不得不转攻为守。眼看苏军攻势成了强弩之末，舍尔纳立刻抓住机会翻盘。15日，已秘密调遣到位的第3装甲集团军主力在劳斯的率领下反击突破最深的红军第41集团军，以2个装甲师、1个装甲掷弹兵师、4个步兵师共计12万余人的强大兵力向苏军据守的突出部两侧发动钳形攻势。次日就打穿红军突入部结合位置，实现两路会师，6万苏军被包围。
朱可夫不是一个轻易认输的人。面对各条战线传来的坏消息，神情极为坚韧，孤注一掷命令梅列茨科夫将西方面军最后能动用的2个集团军投入进攻，企图反包围突入的劳斯所部，救援被围红军。红军第5、6坦克军2万官兵和350辆坦克，在宽仅4公里的正面猛攻德军的坚固防线。
劳斯用虎式重装甲营和坦克歼击营顶在一线，让装甲营从侧面发动攻击，关键高地几度易手，战场上到处都是燃烧的坦克和被毁的火炮，苏军坦克部队甚至七八辆坦克一起涌出，冒死接近德军坦克，最近时离虎式防线只有100多米，前仆后继的波次冲锋如同海浪冲击礁石，但在德军坚固防线和88mm火炮的精准炮火前撞得粉碎。到当天傍晚，红军已损失坦克140多辆，官兵伤亡数万，攻击集群失去战斗力，4个近卫坦克旅旅长2个阵亡、1个重伤、1个轻伤。
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