Поскольку оборона немцев собственно под Ржевом была уплотнена, наиболее логичным следующим ходом было искать другой участок фронта для прорыва и выхода в дальнейшем в тыл ржевской группировке противника. Выбор пал на 20-ю армию. Одновременно было решено не распыляться между различными направлениями и сконцентрировать силы на правом крыле Западного фронта, южнее Ржева. С этой целью 30 сентября командованию 33-й армии было приказано выделенные для Гжатской операции 8-й гвардейский стрелковый корпус передать в 20-ю армию. Точка нанесения удара смещалась к югу от Ржева, в полосу 20-й и 31-й армий. 1 октября командующим 20-й и 31-й армии было приказано готовиться перейти в наступление. Датой готовности было назначено 12 октября. В 31-й армии наряд сил составляли четыре стрелковые дивизии, две танковые бригады, семь артполков РГК и шесть дивизионов РС. В 20-й армии ударная группировка состояла из шести стрелковых дивизий, 8-го гвардейского стрелкового корпуса (26-я гвардейская стрелковая дивизия, 148-я и 150-я стрелковые бригады), девять артполков РГК, шестнадцать дивизионов РС. Эшелоном развития успеха, находившимся в подчинении штаба Западного фронта, должна была стать подвижная группа из 6-го танкового корпуса, 2-го гвардейского кавалерийского корпуса и 1-й мотострелковой бригады.
Парадокс планирования операции заключался в том, что ударами в основание Ржевского выступа никто не собирался срезать весь выступ с окружением немецких войск, в нем находящихся. По своему замыслу, «Марс» ближе всего к контрнаступлению под Москвой в декабре 1941 г., когда вытянувшиеся к столице немецкие танковые группы пытались дробить на части множеством сравнительно небольших по силе ударов. Еще в октябре 1942 г. задача на установление связи с войсками Калининского фронта, наступавшими с западного фаса Ржевского выступа, ставилась только одной (!) кавалерийской дивизии 2-го гвардейского кавалерийского корпуса В.В.Крюкова. Главные силы кавкорпуса после прорыва фронта войсками 20-й армии должны были наступать на север, в тыл ржевской группировке противника. 6-й танковый корпус должен был нанести удар на Сычевку с целью образования внешнего фронта окружения. В окончательном варианте задачу прикрытия фланга наступления ударом в район Сычевки возложили на 8-й гвардейский стрелковый корпус при поддержке трех танковых бригад. Прорыв фронта для ввода в него подвижной группы планировалось провести силами 20-й армии и смежным с ней левым флангом 31-й армии. Правый фланг 31-й армии должен был в случае успешного продвижения группы В.В.Крюкова нанести удар через Ржев навстречу танкистам и кавалеристам. Это было типичное для операции «Марс» решение, когда окружение сравнительно небольшой группы войск противника должно было осуществляться ударами двух смежных армий, одна из которых получала в качестве средства развития успеха танковый или механизированный корпус.
Помимо пары из 20-й и 31-й армий, на Западном фронте создавалась ударная группировка из 5-й и 33-й армий. Пауза в октябре 1942 г. позволила накопить силы и вернуться к плану наступления против Гжатска. В этой паре «подвижной» была 5-я армия, ей придавался 5-й танковый корпус. Помимо него для наступления в 5-й армии выделялись семь стрелковых дивизий и три танковые бригады. Армия должна была прорвать фронт и выйти 5-м танковым корпусом к Гжатску. Правый сосед 5-й армии, 33-я армия, должна была наносить основной удар пятью стрелковыми дивизиями и двумя танковыми бригадами, а вспомогательный — 7-м гвардейским стрелковым корпусом (17-я стрелковая дивизия, 36, 112, 125, 128-я стрелковые бригады) и 256-й танковой бригадой. Целью обеих ударных группировок было Туманово, село на железнодорожной ветке из Гжатска в Вязьму. В окончательном варианте переход в наступление 5-й и 33-й армии планировался на 1 декабря, то есть пять дней спустя после перехода в наступление основных сил 20-й армии.
Наступление в полосе Калининского фронта также планировалось в форме множественных дробящих ударов, наносившихся в нескольких местах. Отличие от планов Западного фронта заключалось в том, что все ударные группировки Калининского фронта начинали наступление одновременно. Их было пять: 39-я армия на «макушке» Ржевского выступа, 22-я армия в долине Лучесы, 41-я армия южнее Белого, и, наконец, смежные фланги 3-й и 4-й ударной армий должны были окружить Великие Луки. Поддержку самостоятельных танковых соединений получали 22-я армия (3-й механизированный корпус), 41-я армия (1-й механизированный корпус) и 4-я ударная армия (2-й механизированный корпус).