В последующем, действуя испытанными методами, командование группы армий «Центр» попыталось расколоть фронт окружения западнее Вязьмы на две части, чтобы было легче подавить сопротивление и волю к борьбе советских войск. Для этой цели 12 октября 1941 года 87-я пехотная дивизия, в боевом дозоре которой находился командный пункт 8-го армейского корпуса, пробилась с запада, вдоль автострады, к Вязьме. Была установлена связь с находящимися в городе частями 10-й танковой дивизии.
12 октября советские части предприняли попытку прорваться через автостраду с севера на юг западнее Вязьмы. Но командовавший этими войсками генерал Лукин не знал, что в районе Селиваново, где находился генерал Ершаков, сопротивление окруженных было уже практически подавлено. Тем не менее немцы не смогли сдержать последнего отчаянного натиска советских солдат, и в ночь на 13 октября значительная их часть, в результате тяжелых и кровопролитных боев, смогла прорваться на юг. Однако там они попали в новое окружение. 13 октября советские войска в районе Вязьмы прекратили организованное сопротивление, хотя их разрозненные группы продолжали сражаться в тылу у немцев еще как минимум десять дней.
Картина завершившегося сражения была поистине трагичной. Офицер из штаба 8-го армейского корпуса в своем отчете писал: «...Наступил мороз и выпал первый снег. Бесконечные потоки русских пленных шли по автостраде на запад. Полны ужаса были трупные поля у очагов последних боев. Везде стояли массы оседланных лошадей, валялось имущество, пушки, танки».
Также значительны были и потери немецких войск. Только один 8-й армейский корпус в период 2–14 октября 1941 года потерял убитыми, пропавшими без вести и ранеными более 4 тысяч человек. В то же время нужно учитывать, что его части за это время пленили 51,5 тысячи советских военнослужащих и взяли в качестве трофеев 157 танков, 444 орудия и другое военное имущество.
Когда под Вязьмой все было уже кончено, в районе действия 50, 3 и 13-й советских армий Брянского фронта (командующий фронтом – генерал-лейтенант А. И. Еременко, а с 14 октября 1941 года – генерал-майор Г. Ф. Захаров) еще продолжались кровопролитные бои. Только 9 октября 1941 года соединения 2-й армии генерала Вейхса смогли соединиться со 2-й танковой армией Гудериана северо-западнее Брянска, расчленив тем самым советскую группировку на две части. В северной в районе Брянска оказалась 50-я армия, в южной – в районе Трубчевска, Суземки, Навли – 13-я и 3-я армии.
50-я армия еще имела возможность прорваться на город Белев, где на 8 октября находились только части 112-й и 52-й пехотных дивизий 2-й армии и немцы не имели сплошного фронта обороны. Однако начавшийся успешный прорыв 50-й советской армии на Белев был вскоре остановлен по приказу Б. М. Шапошникова. Все попытки частей армии пробиться в юго-восточном направлении на реку Рессета оказались безуспешными. И только затем, потеряв свыше 80% личного состава и более 97% артиллерии, лишившись командующего генерала М. П. Петрова, остатки 50-й армии вышли из окружения, прорвавшись в северо-восточном направлении на Белев.