Mặc dù nối lại các cuộc tấn công từ ngày 11 tháng 12 nhưng các Phương diện quân Tây và Kalinin vẫn dẫm chân tại chỗ. Thay tướng N. I. Khryukin, trung tướng M. S. Khozin chỉ huy Tập đoàn quân 20 tiếp tục các nỗ lực tấn công với Quân đoàn xe tăng 5 của tướng K. A. Semnchenko mới được tăng cường. Tuy nhiên, các trận đột kích của các tập đoàn quân 20 và 31 vào Sychyovka và phía đông Rzhev đều bị Quân đoàn xe tăng 39 (Đức) chặn đứng. Trên cánh Bắc, các tập đoàn quân 22 và 39 vừa phải thực hiện nhiệm vụ của chiến dịch, vừa cố gắng giải vây cho Tập đoàn quân 41. Thương vong của quân đội Liên Xô tăng lên từng ngày ở mức cao. Trung bình từ 7.000 đến 8.000 người/ngày. Sau khi ở mặt trận Stalingrad trở về Đại bản doanh để báo cáo về việc triển khai Chiến dịch Sao Thiên Vương, ngày 20 tháng 12, đại tướng G. K. Zhukov ra lệnh đình chỉ tấn công, chuyển các Phương diện quân Tây và Kalinin sang tư thế phòng ngự. Chiến dịch Sao Hỏa chấm dứt với hai kết quả rất khiêm tốn. Phương diện quân Tây chiếm được bàn đạp chiến thuật phía tây Zubtsov và tiến gần hơn đến Osuga và Sychyovka. Phương diện quân Kalinin chiếm được thành phố nhỏ Molodoy Tud và hành lang Luchesha, rất có lợi cho các cuộc tấn công tiếp theo.