12 декабря из-за сплошного тумана штурм не состоялся и был перенесен на следующий день. 13 декабря снова был туман, но рвущаяся с юго-запада 291-я пехотная дивизия заставила начать штурм в условиях плохой видимости. Авиационной поддержки из-за тумана не было ни у одной из сторон. С запада Великие Луки штурмовали 357-я и 257-я стрелковые дивизии, с востока — 7-я эстонская стрелковая дивизия. Наступление началось в 10.00 залпом РС, за которым последовала артиллерийская подготовка. Так же как в первый день «Марса», из-за плохой видимости огонь артиллерии был неэффективным. Под огнем неподавленных пулеметов пехота залегла. Только штурмовые группы 257-й стрелковой дивизии уверенно продвигались вперед и форсировали пересекавшую город реку Ловать. За штурмовыми группами шли пехотинцы, очищая кварталы от оставшихся узлов сопротивления противника.

В 14.00 15 декабря к командующему гарнизоном Великих Лук были направлены советские парламентеры с предложением сдаться. Однако фон Засс отказался принимать пакет с ультиматумом, сославшись на приказ фюрера. После возвращения парламентеров боевые действия продолжились с прежним ожесточением.

Из-за неравномерной подготовки к штурму задача взять город к 16 декабря не была выполнена. 16 декабря К.Н.Галицкий решил ввести в бой 249-ю стрелковую дивизию эстонского корпуса. 257-й стрелковой дивизии поручалось овладеть опорными пунктами на окраине Великих Лук, нависавшими над флангом наступления. Также 16 декабря гарнизону Великих Лук была передана радиограмма Гитлера:

«Командиру боевой группы Великие Луки. Я выражаю свое восхищение вам и вашим солдатам за вашу храбрость. Я убежден, что вы будете держаться как сталь подобно генералу Шереру в Холме, до тех пор пока вас не освободят».

Очередной этап наступления начался 18 декабря. Лучше других, как и в предыдущие дни, действовала 257-й стрелковая дивизия. Эстонские соединения почти не продвигались. По утверждению немцев, из эстонских дивизий на их сторону шел поток перебежчиков. Командующий 3-й ударной армией решил ввести в бой за Великие Луки 47-ю механизированную бригаду 2-го механизированного корпуса. Ударом 257-й стрелковой дивизии с севера и 47-й механизированной бригады с юга предполагалось разорвать группировку противника пополам.

25 декабря танкисты и пехотинцы начали наступление навстречу друг другу. К 30 декабря 257-я стрелковая дивизия овладела северной половиной центральной части города. Навстречу ей при поддержке 13-го танкового полка огнеметных танков наступала 47-я механизированная бригада. В 20.20 26 декабря комендант гарнизона Великих Лук докладывал генералу Шереру:

«У нас больше не осталось противотанковых пушек, которыми мы могли бы противостоять русским тяжелым танкам. Мы срочно просим доставить планерами три 75-мм противотанковых орудия с боекомплектом и расчетами».

В ночь с 28 на 29 декабря гарнизону Великих Лук было сброшено на парашютах восемью бомбардировщиками Хейнкель-111 и доставлено пятью планерами 13,8 тонны боеприпасов и медикаментов, две противотанковые пушки с расчетами. К вечеру 30 декабря наступавшие с севера и юга подразделения советских войск разделяли только четыре квартала. 31 декабря разгорелись самые жестокие уличные бои. Командовавший гарнизоном Великих Лук подполковник фон Засс понимал, что потеря связи с западной группировкой снижает шансы на успешное деблокирование. К 1 января большая часть города была в руках советских войск. Соединившиеся 257-я стрелковая дивизия и 47-я механизированная бригада захватили всю центральную часть города, разъединив гарнизон на две части — одна в районе железнодорожного вокзала, а вторая — в районе старой крепости.

Понимая низкую эффективность «национальных» дивизий, советское командование продолжило штурм города силами проверенных в бою соединений — 47-й механизированной бригады и 257-й стрелковой дивизии. Бригада 6 января захватила вокзал, который был ядром обороны восточной части города. После этого бригаду вывели в оборону на западные окраины города, деблокирующая группировка пробилась уже слишком близко. Вскоре были ликвидированы остальные опорные пункты немцев — 13 января пала Курьяниха, 15 января — военный городок, а 16 января — железнодорожное депо и Алигардово. В последнем был взят в плен со своим штабом командир гарнизона «крепости Великие Луки» подполковник фон Засс. В 1946 г. фон Засс был осужден за военные преступления и публично повешен в Великих Луках.

Параллельно разгрому основных сил гарнизона в районе железнодорожного вокзала и депо проводился штурм цитадели. Старую крепость размером 250X100 метров обороняли на 31 декабря около 400 человек. Высокие обледенелые скаты валов крепости делали ее штурм невозможным для танков и трудным для пехоты. Для штурма были заготовлены специальные лестницы.

Несмотря на жестокий обстрел артиллерии и удары авиации полностью систему огня гарнизона подавить не удалось, и 15 января внутрь крепости прорвалась только одна штурмовая группа с северо-востока. Однако этот отряд отвлек на себя значительные силы обороняющихся, что позволило остальным штурмовым группам ворваться в цитадель с севера и юга. К 7.00 16 января крепость пала. В цитадели было захвачено 235 пленных, 9 танков (из числа прорвавшихся извне) и большое количество разнообразного оружия.

Сталинград и Великие Луки знаменовали качественные изменения в положении окружаемых немецких войск. Раньше шоком для пехотинцев был сам факт окружения, обыденного только для подвижных войск, вырывавшихся вперед. Зимой 1942 г. масштабными аэромобильными операциями усилия Красной Армии по окружению крупных и мелких групп немецких войск фактически сводились на нет. Зимой 1943 г. за окружением стало следовать уничтожение. Если ранее пример Холма и Демянска порождал доверие к командованию и стимулировал удержание важных с оперативной точки зрения пунктов, то пример Сталинграда и Великих Лук показывал неспособность немецкого командования обеспечивать устойчивость как крупных, так и мелких гарнизонов в новых условиях.

При этом нельзя сказать, что снабжение по воздуху Великих Лук было неэффективным. Если Сталинград из-за удаленности от основных сил групп армий «Б» и Дон, а также вследствие многочисленности окруженных войск не мог в полной мере снабжаться по воздуху, то «крепость Великие Луки» отделяли от внешнего фронта окружения только десятки километров. Численность гарнизона была небольшой. С помощью транспортных планеров оказывалось возможным доставлять даже тяжелые противотанковые орудия. Планеры Go.242 буксировались бомбардировщиками «Хейнкель-111» до района «котла», далее они отцеплялись и садились на занимаемую немецкими войсками территорию. Пилоты планеров для следующего рейса забирались в тот же день самолетами Физилер «Шторх». Например, только 28 декабря было доставлено 560 снарядов к легким полевым гаубицам, 62 тыс. 7,92-мм патронов в лентах, 25 тыс. патронов в обычной упаковке для винтовок, 42 тыс. патронов к советскому оружию и т.п. Даже в предпоследний день обороны Великих Лук с самолетов было сброшено 300 контейнеров, из которых остатки гарнизона смогли собрать только семь.

Город Великие Луки был не просто окружен, он был взят штурмом. От теории штурмовых групп советские войска стали все больше переходить к практике. Это позволило ликвидировать гарнизон до того, как к нему пробились извне.

Общие потери немецких войск убитыми в ходе сражения вокруг Великих Лук составили около 17 000 человек. Из этого числа примерно 5000 были убиты в самом «котле», а 12 000 убитых составили потери частей и соединений, пытавшихся пробиться к окруженным. По советским данным, в Великих Луках было взято 3944 пленных, включая 54 офицеров. Большими были также трофеи, захваченные в городе: 113 орудий, 29 шестиствольных реактивных минометов, 58 обычных минометов, 20 танков и штурмовых орудий.

Одним из основных стимулов проведения мероприятий по сокрушению окруженных войск противника является высвобождение своих дивизий и армий, удерживающих периметр окружения. Окружением мы вырываем из построения противника часть сил и на какое-то время, до прибытия свежесформированных соединений или перебросок с других театров военных действий, получаем численное преимущество.