После неудачной попытки прорыва войск группы армий «Север» на северном участке образовавшегося в результате советского наступления выступа у русских освободились руки. Можно сказать, что открывшиеся перед ними возможности превышали имевшиеся силы. Русские нащупали путь для нанесения глубокого, может быть, даже стратегического удара на запад, между группами армий «Север» и «Центр». Однако их главные силы были заняты южнее. К тому же, в преддверии очередной зимней кампании, советская Ставка не была склонна к проведению операций подобного масштаба. Какими бы резервами ни обладали русские, они тоже были не безграничны. В течение осени советское командование не раз было вынуждено вместе с закаленными в боях частями бросать в наступление неподготовленных новобранцев, мобилизованных в недавно отвоеванных у немцев районах. Витебск представлял собой менее значительную, но вполне ценную с точки зрения пропаганды цель. Помимо того что Витебск являлся важным центром железных и шоссейных дорог, он, как и Орша, позволял контролировать территорию между Двиной и Днепром шириной 80 км, которая исторически рассматривалась как ворота в сердце России. С октября до начала декабря войска Западного фронта четыре раза пытались взять Оршу, но отбрасывались назад немецкой 4-й армией.
13 декабря 11-я гвардейская армия перешла в наступление с северо-востока, северо-запада и юго-запада на северном участке фланга обороны 3-й танковой армии. В течение двух дней ей удалось глубоко вклиниться в немецкую оборону и создать угрозу окружения двух немецких дивизий по отдельности. В ответ на просьбу Г. Рейнгардта отвести свои войска, он получил от Э. Буша решительный отказ. Затем он получил указание из ОКХ при любых обстоятельствах удерживать свой фланг, так как по прорвавшемуся противнику с севера готовился удар. На следующий день развернутая далее к северу дивизия Г. Рейнгардта попала в окружение, а вторая дивизия, занимавшая оборону к юго-западу от первой, была отрезана от шоссе и железной дороги. У генерала не было другого выхода, как отдать окруженным войскам приказ на прорыв, который дивизия выполнила, потеряв 2 тыс. человек личного состава из 7 тыс., а также всю артиллерию, тяжелое вооружение и автотранспорт.
16-го числа Гитлер наконец понял, что ликвидировать прорыв в районе Невеля уже не представляется возможным. Но, как всегда не желавший что-либо менять в очертаниях линии фронта, он отдал приказ группам армий не допустить дальнейшего наступления противника. С 17 по 23 декабря Г. Рейнгардт, которого Гитлер изводил своими требованиями исключить дальнейшее отступление своих войск, кроме случаев, когда речь идет о подавляющем превосходстве противника, отвел фланг армии назад, организовав в 30 км севернее Витебска оборонительный рубеж в форме неправильной дуги.
Все еще без ответа оставался вопрос о том, что русские намереваются предпринять дальше. На случай, если они решат повернуть на запад, Г. Рейнгардт укрепил западный участок обороны. Кроме того, по приказу ОКХ на левый фланг группы армий «Центр», на участок восточнее Полоцка, были переброшены две дивизии из состава группы армий «Север». 23 декабря наступил черед ответных действий войск А.И. Еременко. 4-я ударная, 11-я гвардейская, 39-я и 43-я армии перешли в наступление на Витебск со всех направлений. После первых двух дней наступления они оттеснили немцев на несколько километров назад. На северо-западе и юго-востоке от города русские танки и пехота пробили глубокие бреши в обороне 3-й танковой армии, перерезав железнодорожную ветку Витебск— Полоцк и создав угрозу для железной дороги Витебск – Орша. Для того чтобы избежать окружения, группа армий «Центр» бросила на отражение советского наступления две дивизии, недавно полученные из группы армий «Север», а также по одной дивизии из 9-й и 2-й армий. После этого фронт удалось удержать, несмотря на то что еще в течение шести недель А.И. Еременко продолжал с упрямой решимостью наносить мощные удары по обороне немцев.
После отхода 3-й танковой армии на окраины Витебска фланг группы армий «Север», протянувшийся в сторону Невеля, превратился в бесполезный аппендикс. Поздно вечером 27 декабря Гитлер принял решение разрешить Г. Кюхлеру выпрямить линию фронта и тем самым получить достаточно войск для укрепления западного фаса выступа в районе Невеля, который к тому времени обороняли разношерстные части войск СС и полиции. После 29 декабря 16-я армия в течение шести дней отошла назад, создав оборонительный рубеж в форме практически прямой линии южнее Новосокольников.