В ноябре-декабре 1942 года 24-я танковая бригада в составе 5-го танкового корпуса участвовала во Второй Ржевско-Сычёвской операции (операция «Марс»). 11 декабря 1942 года 5-й танковый корпус начал наступление в юго-западном направлении, пытаясь прорвать рубеж обороны противника между Подосиновкой и Жеребцово, с целью выхода в район Помельницы, Харино, Бородино западнее железной дороги Вязьма-Ржев. 24-я и 41-я танковые бригады совместно со 2-м мотострелковым батальоном 5-й мотострелковой бригады (подполковник Г. Г. Скрипка) повели наступление на Подосиновку, которую с северо-восточного направления штурмовали части 243-й стрелковой дивизии. За 12 декабря в 24-й танковой бригаде потеряно 4 танка КВ и 4 танка Т-70, 13 декабря — ещё 2 КВ. В дальнейшем ожесточённые бои велись в районе деревень Жеребцово и Подосиновка, которые несколько десятков раз переходили из рук в руки, в результате чего район боёв за них получил название «Долина смерти». После двух безуспешных попыток взять эти населённые пункты, состоявшихся 11 и 12 декабря, по устному распоряжению командира 5-го танкового корпуса оставшийся личный состав мотострелково-пулемётного батальона бригады был передан 5-й мотострелковой бригаде, а сама 24-я танковая бригада вошла в оперативное подчинение 379-й стрелковой дивизии. Однако замысел усилить стрелковую дивизию танками не удался, наступление на Жеребцово и Подосиновику захлебнулось, и с 8.00 утра 19 декабря 1942 г. обескровленная бригада была выведена на переформирование.