ההתקדמות הסובייטית יצרה איום ממשי על העורף הגרמני, אך המגנים הגרמניים לא איפשרו לארמייה ה-20 להרחיב את הפרצה בחזיתם, וכיסי ההתנגדות שלהם (שנשענו על מקומות ישוב מבוצרים) היקשו מאוד על העברת אספקה ותגבורות לכוחות "הקבוצה הניידת". כוחות עתודה גרמניים מדיוויזיית הפאנצר ה-9 ומהקורפוס ה-27, ערכו התקפת נגד והצליחו לנתק את הכוחות הניידים הסובייטיים ולכתר אותם מצפון למסילת הברזל רז'ב-סיצ'בקה. ב-29 בנובמבר נאלץ מפקד החזית, איבן קונייב, להורות למה שנותר מ"הקבוצה הניידת" לסגת ולחבור בחזרה לכוחות הארמייה ה-20 בראש הגשר שלהם. חלק ניכר מהכוח המכותר הצליח לפרוץ לבסוף את טבעת הכיתור, אך נאלץ להותיר מאחור כמעט את כל כלי הרכב המשוריינים שלו. חלק מיחידות הפרשים שלא הצליחו להחלץ מהכיתור המשיכו בלחימה בעורף הגרמני, וחברו לפרטיזנים שפעלו באזור. בכך הסתיים למעשה השלב הראשון של המתקפה בגזרת החזית המערבית. יחידות החזית ספגו למעלה מ-38 אלף נפגעים (כולל כ-9000 הרוגים ונעדרים), והארמייה ה-20 בלבד איבדה כ-200 טנקים. ההישג היחיד שהחזית יכלה לזקוף לזכותה היה תפיסת ראש גשר קטן (ברוחב כ־11 ק"מ ובעומק כ-6 ק"מ) ממערב לנהר ואזוזה. גם המגינים הגרמנים ספגו אבדות כבדות, אך אבדותיהם היו קלות יחסית לאבדות הכוח התוקף.
הפעולות בגזרת חזית קלינין.
בגזרת ההתקפה של חזית קלינין תמונת המצב הייתה שונה לחלוטין. הארמייה ה-41 והארמייה ה-22, שתקפו את האגף הצפוני של בליטת רז'ב, הגיעו להישגים ראשוניים מרשימים, ולא היו רחוקים מלמוטט את ההתנגדות הגרמנית. קורפוס המתנדבים הסיבירי ה-6 של הארמייה ה-41, שתקף מדרום מערב לעיר ביילי, הצליח להבקיע את החזית הגרמנית בקלות יחסית, ומפקד הארמייה, גרמן טאראסוב, מיהר לשלוח את הקורפוס הממוכן ה-1, שכלל 224 טנקים בפיקוד מיכאיל דמיטרוביץ סולומאטין, לנצל את ההצלחה. אף על פי שהקורפוס התקדם בשטח מיוער קשה לתנועה ונטול דרכים למעשה, הוא הצליח להתקדם לעומק של כ-30 ק"מ, וכוחותיו הקדמיים הגיעו ב-27 בנובמבר בלילה עד לכביש ביילי-ולדימירסקוי, נתיב האספקה העיקרי של קורפוס הפאנצר ה-41 שהגן על הגיזרה. אולם במקום להזרים את עתודותיו לתגבר את כוחו של סולומאטין, ולהעמיק את הפירצה בחזית הגרמנית, הסתבך מפקד הארמייה ה-41 בניסיון כושל לכתר מדרום ולכבוש את העיר ביילי, ואף השתמש בחלק מהכוחות של הקורפוס הממוכן ה-1 לשם כך. במסגרת התוכנית הסובייטית המקורית הוקצו 2 קורפוסים ממוכנים לצורך ניצול ההצלחה בגזרת הארמייה ה-41, אולם זמן קצר לפני פתיחת מבצע מארס החליט ז'וקוב להעביר את הקורפוס הממוכן ה-2 צפונה, כדי לסייע למתקפה של ארמיית ההלם השלישית באזור וילקייה לוקי. כתוצאה מכך עמדו לרשות גנרל טאראסוב רק 2 בריגדות טנקים מוקטנות (78 טנקים) בעתודה.
מפקד קורפוס הפאנצר ה-41 שלח 2 צוותי קרב ניידים מדיוויזיית גרוסדויטשלנד (שנחשבה אחת מיחידות העילית של הצבא הגרמני) ומדיוויזיית הפאנצר ה-1, כדי לתגבר את דיוויזיית החי"ר הגרמנית שהגנה על ביילי, ואילו עיקר כוחה של דיוויזיית הפאנצר ה-1 נשלח לבלום את התקדמות הקורפוס הממוכן ה-1, ולהשתלט מחדש על כביש ביילי-ולדימירסקוי. המשבר החמור שנוצר בגזרת קורפוס הפאנצר ה-41 אילץ את הפיקוד הגרמני לתגבר אותו ב-3 דיוויזיות פאנצר (ה-12, ה-19 וה-20) מעתודות קבוצת ארמיות מרכז. ב-29 בנובמבר החלו היחידות הראשונות של דיוויזיית הפאנצר ה-12 להגיע לגזרת הקורפוס, ותיגברו את דיוויזיית הפאנצר ה-1. כוחות העתודה הגרמניים בלמו את ההתקדמות הקורפוס של סולומאטין, שלא קיבל את התגבורות שביקש מפיקוד הארמייה ה-41. לבסוף, ב-2 בדצמבר, נאלץ פיקוד הארמייה ה-41, שהעריך שהוא ניצב מול כוחות גרמניים עדיפים, להורות לכוחותיו לעבור למגננה.
מצפון מזרח לביילי נחלה גם התקפת הארמייה ה-22 הצלחה ראשונית מרשימה. כוחות הארמייה הבקיעו את מערך ההגנה הגרמני בתפר בין עמדות קורפוס הפאנצר ה-41 והקורפוס ה-23, והחלו להתקדם במעלה עמק נהר לוצאסה (Luchesa) לכיוון דרום מזרח. במהלך היומיים הבאים נשלח הקורפוס הממוכן ה-3 בפיקוד מיכאיל קטוקוב לתגבר את המבקע של הארמייה ה-22. הגרמנים הגיבו במהירות במשלוח רגימנט ממונע מדיוויזיית גרוסדויטשלנד, כדי לבלום את האיום הסובייטי החדש. העתודות הגרמניות לא הצליחו אמנם להחזיר את המצב לקדמותו, אך גרמו אבדות כבדות לכוח הסובייטי התוקף ומנעו ממנו להגיע ליעדו העיקרי, כביש ביילי-אולינינו. עד ה-2 בדצמבר נבלמה התקדמות הארמייה ה-22 כמעט לחלוטין. היא איבדה 200 מתוך 270 הטנקים, שעמדו לרשותה עם פתיחת המתקפה, וכ-60 אחוז מכוחן של יחידות החי"ר שהשתתפו במתקפה, אך המשיכה להחזיק בבליטה בעומק של כ-15 ק"מ בחזית הגרמנית.
במקביל לארמיות ה-22 וה-41 תקפה גם הארמייה ה-39 מחזית קלינין את העמדות הגרמניות בקצה הצפון מזרחי של בליטת רז'ב באזור העיר מולודוי טוד. בניגוד לארמיות ה-22 וה-41, לארמייה ה-39 לא היו עתודות משוריינות לצורך ניצול ההצלחה, משום שהמתקפה בגזרתה נתפסה כמאמץ משני, שנועד להטעות את הפיקוד הגרמני, ולרתק את הקורפוס ה-23 הגרמני לחזיתו. כתוצאה מכך, החמיץ פיקוד הארמייה מספר הזדמנויות להבקעת החזית הגרמנית ביום הראשון למתקפה. למרות מספר הצלחות ראשוניות נבלמה מתקפת הארמייה ה-39 לפני שהגיעה ליעדה העיקרי, כביש רז'ב-אולינינו. גם במקרה זה הצליח הפיקוד הגרמני למנוע הבקעה סובייטית באמצעות הזרמה מהירה של עתודות ממונעות לגזרה המותקפת.
במהלך מבצע מארס השתמשו הגרמנים בהצלחה בטקטיקה ששילבה בין הגנה קשיחה לבין הגנה ניידת. החי"ר הגרמני הפך את הכפרים הרבים באזור בליטת רז'ב למתחמים מבוצרים ערוכים להגנה היקפית, בעוד דיוויזיות הפאנצר והפאנצרגרנדיר יצרו צוותי קרב ניידים ("קמפף-גרופה"), שחיפו על הפערים בין המתחמים המבוצרים, ותקפו את הכוחות הניידים הסובייטים שהצליחו להבקיע דרכם. הכפרים המבוצרים שימשו כמעין "שוברי גלים", שפיצלו את הכוחות התוקפים ואיפשרו רק ליחידות קטנות לחדור בפערים ביניהם. הכוחות הגרמניים שהחזיקו בהם המשיכו להילחם גם לאחר שכותרו, והיקשו על תיגבור הכוחות שהבקיעו דרך מערך ההגנה הגרמני. צוותי הקרב הניידים טיפלו בכוחות הסובייטיים הקטנים יחסית שהצליחו לפרוץ את החזית הגרמנית, ניתקו אותם מעורפם, וכיתרו אותם.
מתקפת הנגד הגרמנית.
עד ראשית דצמבר 1942 הצליחו הגרמנים לייצב מחדש את חזיתם, ולבלום את כל המתקפות הסובייטיות על בליטת רז'ב. כתוצאה מכך היה הפיקוד הגרמני חופשי לרכז את עתודותיו בגזרת קורפוס הפאנצר ה-41 כנגד הארמייה הסובייטית ה-41, שהחזיקה בבליטה עמוקה בקו החזית הגרמני מדרום-מערב לביילי. בימים הראשונים של דצמבר השלימו הגרמנים את העברת הקורפוס ה-30 לאזור, וב-7 בדצמבר פתחו במתקפה מתמקדת על שני האגפים של הבליטה הסובייטית, במטרה לנתק ולכתר את הכוחות הסובייטיים בתוכה. 2 דיוויזיות פאנצר מהקורפוס ה-30 בסיוע דיוויזיית הפרשים ה-1 של האס אס תקפו את האגף הדרומי של הבליטה הסובייטית, בעוד יחידות מקורפוס הפאנצר ה-41 תקפו את האגף הצפוני מכיוון ביילי. לאחר יומיים של לחימה קשה התחברו זרועות המלקחיים הגרמניים, קטעו את הבליטה הסובייטית בבסיסה, וכיתרו חלק מיחידות הקורפוס ה-6 ואת עיקר כוחו של הקורפוס הממוכן ה-1.
הכוח הסובייטי המכותר בפיקוד גנרל סולומטין נערך להגנה היקפית, והצליח להדוף התקפות מצד 4 דיוויזיות פאנצר במשך מספר ימים, אך נותר כמעט ללא דלק ותחמושת. בליל 15/16 בדצמבר הצליח הכוח הנצור לפרוץ את טבעת הכיתור הגרמנית, לאחר שהשמיד את רוב ציודו הכבד, בסיוע פעולת הטעיה שביצעו הכוחות הסובייטיים מחוץ לטבעת הכיתור. לפי הדו"ח שהגיש ראש המטה של הקורפוס הממוכן ה-1, במהלך מבצע מארס ספג הקורפוס כ-8200 נפגעים (מתוך כ-15 אלף) ואיבד כמעט את כל הטנקים שלו. יחידות הקורפוס טענו שהרגו כ-8900 חיילים גרמנים והשמידו 184 טנקים של האויב במהלך הלחימה. קורפוס הרובאים ה-6, שנשא בעיקר נטל הלחימה בגזרת הארמייה ה-41, ספג 22,500 נפגעים, יותר משני שלישים מכוחו המקורי.
לאחר חיסול הבליטה הסובייטית בחזית הגרמנית באזור ביילי, העביר הפיקוד הגרמני חלק מעתודותיו צפונה, ובמהלך המחצית השנייה של דצמבר ניסה לכבוש מחדש גם את השטח שאבד לו בעמק נהר לוצ'אסה. אולם הארמייה הסובייטית ה-22 הצליחה לבלום את מתקפת הנגד הגרמנית, והמשיכה להחזיק בבליטה שנכבשה על ידה בקו החזית הגרמני.
השלב השני של המתקפה הסובייטית (11–14 בדצמבר).