Прорыв обороны Западного фронта на калининском направлении серьезно осложнил общую обстановку. Враг устремился на Калинин, в котором оставались лишь курсы младших лейтенантов и отряд народного ополчения. Ставка приняла ряд срочных мер по усилению группировки войск в этом районе. 5-я и 133-я стрелковые дивизии, направлявшиеся на Можайскую линию обороны, были задержаны в районе Калинина. Северо-Западному фронту было приказано направить в район города две стрелковые и две кавалерийские дивизии, 8-ю танковую бригаду под командованием П.А. Ротмистрова и мотоциклетный полк. Эти части под командованием начальника штаба фронта генерал-лейтенанта Н.Ф. Ватутина получили задачу к 15–16 октября сосредоточиться в районе Вышний Волочек, Есиновичи.
К исходу 13 октября противник вышел к западным окраинам города. На следующий день части 1-й танковой дивизии противника при поддержке авиации отбросили 5-ю стрелковую дивизию, которая не успела организовать прочную оборону Калинина, и ворвались в город. К Утру 15 немцы захватили большую часть города. Только один стрелковый полк еще удерживал северо-западную окраину города, седлая Ленинградское шоссе. На следующий день немцы, прорвав его оборону, стали развивать наступление вдоль шоссе Калинин — Торжок, сумев за два дня продвинуться в северо-западном направлении на 40 км. Но в результате встречного боя с выдвигающейся навстречу 8-й танковой бригадой его передовые части были остановлены. Противник частью сил попытался продвинуться и на юг по Московскому шоссе. Но здесь путь ему преградили 5-я стрелковая дивизия, 21-я танковая бригада и некоторые части 30-й армии, отошедшие в этот район.
В этой обстановке Ставка ВГК 17 октября приняла решение о создании на базе войск правого крыла Западного фронта (22, 29 и 30-я армии) Калининского фронта. Командующим был назначен генерал И.С. Конев. Основной задачей фронта являлось освобождение Калинина и срыв попыток врага обойти Москву с севера. Это важное и своевременное решение позволило упорядочить управление войсками на стыке Северо-Западного и Западного фронтов. Полоса обороны последнего сократилась почти вдвое. Но слабо прикрытый разрыв между Калининым и Минским шоссе достигал 150 км.
18 октября оперативная группа генерала Ватутина разгромила части 3-й танковой группы генерала Рейнгардта в районе поселков Марьино, Медное и прочно закрепилась на рубеже северо-западнее Калинина. Соединения Ватутина были включены в состав 31-й армии, командующим которой был назначен генерал В.А. Юшкевич. Прежний генерал В.Н. Далматов за крупные упущения в управлении войсками при обороне Ржева был отстранен от должности и предан суду военного трибунала. Не имели успеха и части 9-й армии врага, перешедшие в наступление в направлении Торжок, Вышний Волочек. Однако, несмотря на принятые меры, выбить врага из Калинина не удалось. Но активными действиями Калининского фронта план окружения войск Северо-Западного фронта был сорван. Противник понес большие потери. Так, в результате боев в районе Калинина 1-я танковая дивизия, имевшая на 28 сентября 111 боеготовых танков (из общего числа 156), к 31 октября имела в строю только 36.