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 генерелу 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.