24. novembril 1942 alustasid Punaarmee 3. löögiarmee üksused (7 jalaväediviisi, 1 jalaväebrigaad, 3 tanki- ja 3 mehhaniseeritud brigaadi - kokku 86-95 000 meest, 2135 suurtükki ja miinipildujat, 390 tanki) rünnakuid 50 kilomeetri laiusel rindel, nn teist Rževi-Sõtšovka operatsiooni ehk operatsiooni Marss (Вторая Ржевско-Сычёвская операция ehk операция «Марс»).

30. november kohtusid põhjast ja lõunast ründavad Nõukogude väeüksused Velikije Lukist lääne pool, kirjutab Vikipeedia. Velikije Lukisse jäi erinevatel andmeil kotti 7-10 tuhat sakslast.

Detsembri alguseks olid venelased jõudnud Novosokolniki linnani ja lõiganud läbi strateegiliselt tähtsa raudteeliini, mis ühendas väegrupp Nordi ja väegrupp Mittet. Kiiruga kohale toodud reservide najal läksid sakslased detsembri alguses vastupealetungile ja surusid venelased Novosokolniku juurest tagasi ning taastasid raudteeühenduse. Tuginedes 1942. aasta talve Holmi ja Demjanski kottide kogemusele, keelas Adolf Hitler linna garnisonil kategooriliselt igasuguse väljamurdmise ja andis käsu oodata vabastamist väljaspoolt.

Saksa vägede katsed linna sissepiiratuid päästa kestsid kuni jaanuari keskpaigani, kuid 3. löögiarmee tugev vastupanu ja suurte kaotuste tõttu need ei õnnestunud. Linna poole edelast tunginud saksa väed jõudsid garnisonist vaid 3-4 kilomeetri kauguseni. Siiski õnnestus 5. mägikütipataljonist moodustatud võitlusgrupp 8 tanki ja soomusmasina toel jõuda ümberpiiratuteni.

Et vältida sakslaste pääsemist, alustasid 3. löögiarmee üksused Velikije Luki koti likvideerimiseks 13. detsembril linna ründamist. Garnison kaitses rasketes tingimustes ennast meeleheitlikult. 30. detsembriks õnnestus Nõukogude vägedel linna kaitsvad jõud kaheks lõigata. Lovati jõe läänekaldal jäi sakslaste kätte kohalik Kreml, idakaldal raudteejaama piirkond.

Ööl vastu 16. jaanuari 1943 teostas mõnesajameheline Kremli grupeering läbimurde lääne suunas ja raskete kaotuste hinnaga jõudsid 186 meest omadeni. Sama päeva hommikul vallutasid venelased Kremli, raudteejaama grupp alistus lõplikult 16. jaanuaril kell 15.30. Peale Velikije Luki langemist suunas 3. löögiarmee juhatus kõik jõud välisrindele ja 16-20. jaanuari lahingutega suruti sakslaste ründekiil tagasi.

Alates 9. detsembrist osales lahingus 8. Eesti Laskurkorpus. Käreda pakase käes võidelnud eesti ja vene diviisid murdsid linnas kindlustunud Saksa vägede vastupanu, kuid kandsid ka ise kohutavaid kaotusi. Hukkus vähemalt 5000 eestlast, koos haavatute ja kadunutega langes rivist välja pool korpuse meestest.