16 января командование Северо-Западного фронта поставило 3–й ударной армии задачи освободить Ватолино и Молвотицы, а подвижными отрядами 19 января занять город Холм. Последняя задача означала наступление почти строго на запад. 4–я ударная армия также наступала почти на запад, двигаясь на Торопец. В какой-то мере это было следование за поворотами железнодорожной линии, являвшейся осью наступления армии А.И. Еременко. Ватолино и Молвотицы — это населенные пункты, которые лежали на южном периметре окружаемой Северо-Западным фронтом демянской группировки противника.
Глубокое продвижение 3–й ударной армии заставило выделять все больше сил для защиты северного фланга армии. 17 января командующий Северо-Западным фронтом генерал-лейтенант П.А. Курочкин в своем докладе Верховному Главнокомандующему И.В. Сталину писал:
«Выйдя глубоко в расположение противника и имея не ликвидированной демянскую группировку противника, 3 уд. армия вынуждена для своего обеспечения со стороны Демянск оставить часть сил — до одной сд и двух стрелковых бригад на рубеже Ватолино, Молвотицы. При своем дальнейшем продвижении 3 уд. армии будет необходимо для обеспечения со стороны холмского направления оставить не менее одной стрелковой бригады. Для движения вперед и выполнения основной задачи по выходе в район Великие Луки в 3 уд. армии остается: две сд, три стрелковые бригады и лыжные батальоны».
Но перед выходом к Великим Лукам войскам М.А. Пуркаева предстояло взять город Холм, находившийся более чем в 100 км севернее по течению р. Ловати.
Очередной большой станцией на пути двигавшихся вдоль железной дороги Осташков — Великие Луки главных сил 4–й ударной армии стал город Торопец. В гарнизон города входили части 403–й охранной дивизии и остатки 123–й пехотной дивизии. Одним из стимулов к быстрейшему взятию Торопца было наличие в нем крупных немецких складов продовольствия. Коммуникации 4–й ударной армии были сильно растянуты, снабжение плохим, и возможность получить богатые трофеи никто не собирался упускать. Лидером наступления вновь стала 249–я стрелковая дивизия Г.Ф. Тарасова, которая к 19 января вышла на подступы к Торопцу. Вскоре к ней присоединилась 48–я стрелковая бригада. С утра 20 января начался штурм, и уже к 14.00 дивизия Тарасова захватила депо и склады. Одновременно к городу подтянулись 39–я стрелковая бригада и части 360–й стрелковой дивизии. К 10.00 21 января Торопец был полностью очищен от противника. В городе были взяты богатые трофеи: шесть танков, 723 автомашины, 450 тыс. снарядов, несколько миллионов патронов, 1000 бочек с горючим. Главным трофеем стали 40 складов с продовольствием, на несколько месяцев ставших основным источником снабжения 4–й ударной армии. Одновременно были вновь грамотно использованы 67–й и 68–й лыжные батальоны. Они были направлены на юг и захватили станцию Старая Торопа. Тем самым была перехвачена железная дорога, шедшая из Великих Лук в Ржев и являвшаяся важной транспортной артерией левого фланга группы армий «Центр». Однако на фоне удачных действий острия наступления армии, А.И. Еременко все больше беспокоил растянутый левый фланг. Разрыв между 4–й ударной и 22–й армиями существенно сдерживал продвижение войск А.И. Еременко на юг. Армия была вынуждена выделять значительные силы: 332, 258 и 334–ю стрелковые дивизии и 21–ю стрелковую бригаду. Глубокое продвижения в бедном дорогами районе привело к отставанию артиллерийских полков на 60–80 км от основных сил армии. Отстал также приданный 4–й ударной армии 171–й отдельный танковый батальон (12 танков Mk.II «Матильда», 9 Mk.III «Валентайн» и 10 Т–60). С выходом на рубеж железной дороги Великие Луки — Ржев на участке от Старой Торопы до Западной Двины Торопецко-Холмская операция для 4–й ударной армии по большому счету завершилась. Последующее наступление армии А.И. Еременко иногда выделяют в отдельную, так называемую Велижскую операцию.