Tháng 11 năm 1942, Phương diện quân Kalinin, cùng với Phương diện quân Tây, đã phát động Chiến dịch Sao Hỏa nhằm công kích các tuyến phòng thủ của Đức ở Rzhev / Vyazma. Tập đoàn quân xung kích 3 mới được bổ sung vào biên chế phương diện quân, bắt đầu chiến dịch vào ngày 24 tháng 11 bằng cách tấn công Tập đoàn quân Panzer III của Đức tại Velikiye Luki, và ngày hôm sau, toàn bộ lực lượng của 2 phương diện quân Tây và Kalinin tấn công vào toàn bộ vành đai phòng thủ của mũi đấy nhô Rzhev. Cuộc tấn công có sự tham gia của các tập đoàn quân 41, 22, 39, 31, 20 và 29 từ cả hai phương diện quân. Phương diện quân Kalinin sau đó đã tham chiến Trận Velikiye Luki vào tháng 1 năm 1943. Tập đaòn quân Không quân 3 hỗ trợ cả các hoạt động của phương diện quân tại Rzhev / Sychevka và Velikiye Luki, nhưng sau đó dường như đã được chuyển sang Phương diện quân Tây Bắc một thời gian ngắn để che chở cho đầu cầu Demyansk.