1942年11月，德军中央集团军群最北面的防区——大卢基已经向北伸出中央集团军群其他战线达70英里，守军是59军，而要负担整个大卢基地区的防务，一个59军是远远不够的。结果整个战线有两个长达10英里的缺口，不过好在这两处是沼泽地带，水深大致2~4英尺，平时除了侦察兵可以轻装偷渡外，大兵团没法通过，但是到了冬天，问题就全然不同，寒冬让沼泽天堑变成了通途。在初冬（12月初），冰冻大约12英尺厚，湖面还不能行人，但是步兵已经可以跨过结冰的河流攻击了，12月中旬以后，冰冻达到20英尺，装甲车辆已经可以行驶在湖面上，而当大雪降临，则各种部队移动力都会大打折扣，只有滑雪部队如鱼得水。而苏联人挑选的进攻时间恰恰是冬天，而且是德国人无力将防线合拢的1942年的冬天。
大卢基战役期间，苏军投入的主要兵力是加里宁方面军下属的第三突击集团军，下辖3个军：第二机械化军、第五近卫突击军，以及第八爱沙尼亚军。第三突击集团军还配备了大量的独立团和独立营，包括炮兵、装甲部队、工兵，他们被用来支持师旅级单位在重要地段的作战。参加大卢基战役的苏军近卫部队，包括第9/16/21/46近卫步兵师，第8近卫步兵师一个团，第五突击近卫军军属炮兵团，以及两个喀秋莎火箭炮团。虽然有些近卫部队战斗力超过了德军同等部队，但是大多数近卫部队战斗力到战争结束时也不如德军。在大卢基战役中，投入的近卫部队遭受了巨大的损失，一些部队几乎被击溃。投入的其他普通苏军步兵师包括：第7，49爱沙尼亚步兵师，第28，32，357，360，381步兵师，以及编入第三突击集团军预备队的第47，334步兵师。
德军在大卢基投入的部队番号可谓五花八门，事实上除了海军陆战队，几乎大家所熟知的，能在陆地作战的德军兵种都投入了战斗。国防军陆军部队自不用说，空降师和空军野战师也有投入，而党卫军部队更是火热的投入了解围战，其中包括大家少知的武装党卫队摩托化旅，甚至还有一个党卫队全国指挥部独立营，而最令人吃惊的是隶属于情报部门的勃兰登堡特种部队（他们不归属国防军或者党卫军体系）也投入了此次战役，这么多兵种部队参战是在二战中不多见的。事实上，这也是因为大多数完整的预备队都投入了斯大林格勒方向的战斗，而到了大卢基，只能将一切能打仗的部队都拉到前线。
德军在大卢基地区最有战斗力的部队是第八装甲师，前身是38年成立的第三轻装师，参加了波兰战役，39年10月升级为装甲师，40年参加了法国战役。另外一支战斗力较强的部队是第20摩托化师，它的前身是35年成立的20步兵师，两年后全部摩托化，参加过波兰法国战役。第三山地师，同样是个优秀的部队，拥有山地和冬季作战的特种装备。它在1938年由奥地利第5和第7山地师，加上德军人员组成。德军参战的另外4个普通师是：第83，205，291步兵师和第6空军野战师。前三个师不满编，每个师只有6个步兵营，而不是通常的9个，但是他们的成员富有经验，领导有效，战斗力不错。相比之下，第6空军野战师就差多了，在1942年9月，整个空军冗余人员达到了20万，而空军舍不得把这些人送给陆军，于是成立了22个空军野战师。这些部队缺少陆战经验，缺少士官。德军参战部队中，最差的一个是331步兵师，这个师在41年晚期成立，全是由超龄人员构成，42年初就草草送上前线，和其他部队相比，表现非常差。
但是只不过3天，德军第343安全营快被打光了，幸存者不得不撤离城市。从11月24日到12月10日，优势苏军扫清了大卢基南北两侧的德军，南方的两个德军战斗群也被分割包围，动弹不得。12月11日第三山地师重新夺回了大卢基附近新索科利尼基南方的铁路，而北方，第83和291步兵师的部队，到12月12日，也将苏联人击退了10公里。尽管如此，因为天气和大雪覆盖的地形，解救行动也仍然不易。第8装甲师，在北方的稍事休整就投入了战斗，他们这次非常拼命，和苏军争夺着每一寸土地，为了堵住它，苏军将能从大卢基抽调出来的部队，都扔到它前进方向上了。在如此强烈的狙击下，第8装甲师推进到一半就再也推不动了，它的步兵损失惨重，能开的坦克更少了。但第8装甲师的努力，使得苏军不可能再对新索科利尼基抱有幻想了，12月14日苏军决定放弃对新索科利尼基的进攻，铁路枢纽保住了。
战线开始稳定，而苏德两军都停下来整补疲惫的部队，苏军的伤亡惊人，21和46近卫师彻底崩溃了，9和19近卫师也几乎伤亡殆尽。而德军能够得到的补充相当有限，因为在南线，斯大林格勒正在吞噬着德军的有生力量和补给。大卢基的德国守军则只能眼巴巴看着围城的苏军换上了一批新人，而这些生力军再次给了他们重大打击，1942年的最后一天，城市被切割成两半，东部从此失去了和西部的联系，德军指挥官毫无办法，苏军为了拿下大卢基不惜血本，攻击规模从连到旅，无论遭受多大损失，他们总能获得新的补给，城市一天天被蚕食。1月16日，德军宣布大卢基失守。虽然此后几天，西线还进行着战斗，但是已经无助于改变结果了。苏联人夺回了大卢基，7,000德国守军覆灭。德国人则守住了西部，尽管防御态势大不如前了。
虽然损失惨重，而丢失了重要的大卢基，但德国人在防守战中，仍然得到了一次战术胜利。在敌我5：1的兵力劣势、持续不断的空袭和炮击，没有连续防线可言的战斗条件下，德军避免了第一线薄弱的混合防线的溃败，而且依靠那些几乎无用的二线步兵，后勤部队和超龄服役人员，给苏联人极大的打击。虽然德军在大卢基拖住了数倍于己，并且不断增加的敌人达六星期，也成功守住了重要的铁路线，但是大卢基的丢失，5000驻军全部覆灭，解围作战失败，解围中12，000人的伤亡这个代价太高昂）。
大卢基战役中，德军伤亡5．9万人，被俘4，000人，损失坦克250辆、火炮和追击炮770门、汽车1，150辆以及许多其他武器和技术装备。6个步兵师、1个坦克师和1个摩托化师遭重创，大卢基守军彻底覆灭，几百辆装甲车辆和运输机被毁。。苏军损失超过30,000人，受伤和被俘几千人。超过600辆苏军装甲车辆和400门火炮毁坏，击落63架苏军飞机。据估计，共有31个苏军单位被全歼。
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