Такого мощного артиллерийского соединения не было ни на можайском, ни на малоярославецком направлениях. Собственно узел обороны Волоколамского УРа с бетонными колпаками располагался на шоссе Ржев – Волоколамск. Его занял 1077-й полк 316-й дивизии, располагавшийся на правом фланге обороны. Два других полка (1073-й в центре и 1075-й на левом фланге) вынуждены были оборудовать позиции с нуля, выкопав сплошную первую траншею и прерывчатую вторую. Наспех выкопанные окопы у Волоколамского шоссе являлись слабым местом обороны дивизии. Этот недостаток был частично компенсирован присутствием 296-го противотанкового артиллерийского полка в составе двадцати 76-мм пушек и четырех 25-мм автоматических зенитных пушек.
Главный удар немцы силами 2-й танковой дивизии нанесли утром 16 октября по сидевшему в только что вырытых окопах 1075-му полку – атака последовала вдоль Волоколамского шоссе. Такой удар, в сущности, выводил немецкие танки в тыл остальным полкам дивизии. Два дня, 16 и 17 октября, атаки немецких танков отбивались огнем 85-мм зенитных орудий. На обозначившееся направление главного удара командующий 16-й армией К.К. Рокоссовский, за отсутствием крупных резервов, не мог выдвинуть пехоту, но отреагировал на кризис выдвижением танковой бригады и одного пушечного артиллерийского полка РВГК.
18 октября заслон на шоссе был обойден немцами, и они продвинулись на 10 км в глубь обороны 316-й дивизии. Девять из двадцати 76-мм орудий 296-го противотанкового полка были выведены из строя. Однако время, выигранное сравнительно успешной артиллерийской дуэлью 76-мм и 85-мм орудий со 2-й танковой дивизией, позволило Рокоссовскому выдвинуть на направление немецкого наступления 289-й противотанковый артиллерийский полк, 138-й пушечный артиллерийский полк РВГК и группу «катюш».
Орудия пушечного артиллерийского полка (122-мм пушки А-19) были поставлены на прямую наводку для ведения огня вдоль шоссе. Попытки развивать наступление 19 и 20 октября успеха наступающим не принесли, и с 20 по 25 октября 2-я танковая дивизия приводила себя в порядок, ожидая подхода пехоты. Прорыв Волоколамского УРа с ходу ударом на узком фронте подвижными соединениями, как это было на можайском и малоярославецком направлениях, немцам не удался. Советскому командованию даже не пришлось вводить в бой прибывшую к 19 октября в резерв Западного фронта 4-ю танковую бригаду М.Е. Катукова, прибывшую своим ходом из-под Тулы. Танковая бригада Катукова на 16 октября 1941 г. насчитывала 3 KB, 7 Т-34 и 23 легких танка.
Второе наступление на Москву немцы начали 16 ноября против войск 30-й и 16-й армий. Соединения 30-й армии, располагавшиеся южнее Московского моря, не смогли сдержать сильного танкового удара врага на клинском направлении и после первых же атак начали отходить к Ленинградскому шоссе. Одновременно четыре танковые и три пехотные дивизии противника перешли в наступление против левофланговых соединений войск 16-й армии. В этот же день 16-я армия перешла в наступление на своем правом фланге с целью разгрома волоколамской группировки противника. Главный удар в общем направлении на западную окраину Волоколамска должны были наносить 58-я танковая, 126-я стрелковая, 20, 44, 24-я и 18-я кавалерийские дивизии. 316-я и 78-я стрелковые дивизии должны были наступать перед своим фронтом. Левофланговая 18-я стрелковая дивизия оборонялась на прежнем рубеже.