伊尔门湖地区处于德军中央集团军群和北方集团军群的结合部，在1941年12月28日，希特勒命令东线各部队转入防御后，德军驻守伊尔门湖以北地区的是北方集团军群第16集团军所辖第38军右翼和第10军；在伊尔门湖以南地区，由阿勒菲尔特指挥的德军第2军以杰米扬斯克为核心负责防御，这里也是德军北方集团军群和中央集团军群的结合部。在第2军的南面，是莫德尔指挥的中央集团军群的第9集团军，该集团军的最左翼是第23军。其中，集结在伊尔门湖南北的第16集团军第10军和第2军共8个师13万余人。
为达成苏军统帅部雄心勃勃的作战目标，西北方面军必须首先打掉北方集团军群薄弱的南翼集团，也就是杰米扬斯克地区的德国第16集团军。为此，库罗奇金将方面军所属部队组成三个作战集群，北部集群的第11集团军负责从伊尔门湖北部向德军防御纵深旧鲁萨发展进攻；南部集团由第3、第4突击集团军和第27集团军组成，负责从伊尔门湖南面的奥斯塔什科夫发动攻击，插入德军两个集团军群的结合部，切断其联系，并与第11集团军的北部集团一同包围杰米扬斯克的德军；中路第34集团军负责在杰米扬斯克正面发动佯攻，以吸引德军防御部队。
1942年1月7日，在伊尔门湖南北两侧和奥斯特什科夫地域，苏军4个集团军23万人在铺满厚厚积雪的战场上向德军发起了进攻。
在北线，苏军右翼的第11集团军向旧鲁萨和杰米扬斯克之间推进，其重点进攻的目标是德军第10军第290步兵师防御阵地。经过3天的恶战，第11集团军在德军防线多处达成突破，德军被迫向西撤退。1月9日，第11集团军推进至旧鲁萨，从北、东北和东面对该城完成环形包围。
在苏军的空袭中，旧鲁萨城内燃起大火，城内守军乱作一团，在苏军不计伤亡的进攻中，德军不得不把城内包括工程部队和空军地勤部队组织起来投入战斗。此后，德军快速部队第18摩托化师第51团赶到战场，才阻止了苏军的推进，而德军第290步兵师则在旧鲁萨以东被苏军包围，后勤补给只能依赖空投。
在南线，苏军第3和第4突击集团军是西北方面军中进攻能力最强的部队。其中，普什卡耶夫指挥的第3突击集团军包括第23、第33、第257步兵师和第20、第27、第31、第42、第45和第54步兵旅；叶廖缅科指挥的第4突击集团军包括第249、第332、第334、第358和第360步兵师和几个步兵旅，两个集团军共有8个师又10个旅，此外还包括适合冬季作战的12个滑雪营和4个坦克营，总兵力兵力共计12万余人。
在苏军进攻的当面战线上，战前双方在谢利格尔湖东西两侧形成对峙，在湖的西面是阿勒菲尔特指挥的德军第16集团军第2军和隶属于中央集团军的第253步兵师。第2军下辖第12、第32和第123步兵师，从北至南依次展开。在此前的连续作战中，第2军同样遭受惨重的损失。在苏军重点进攻的地段上，德军第32和第123师一共只有1.2万人，兵力还不足一个满员师，他们的防御地带却有190多公里长。为此，北方集团军群司令部从为数不多的预备队中，将刚从法国调来的第81步兵师（兵力相当于1个加强团）增援到这个方向，与党卫军的1个骑兵旅组成预备队。
1942年1月9日，苏军的2个突击集团军从奥斯塔什科夫出发，越过谢利格尔湖，向德军发起突击。由于地形有利于防御，德军初期在谢利格尔湖的防御相当成功，苏军的突击力量在茂密的森林地带和1米多厚的积雪中，无法发挥快速突击的能力。为此，叶廖缅科命令部队伐掉树木，为坦克部队开辟出一条新道路，试图能够快速地突入到德军的防御纵深。但即便如此，苏军的进攻仍然非常迟缓。
在两翼进攻的同时，中路第34集团军的5个师开始从正面对杰米扬斯克地区发动牵制性进攻。
此时，北方集团军群司令冯·勒布察觉到了危险，在杰米扬斯克的第16集团军主力位置过于突出，苏军的两翼一旦突破己方防线，他们将被苏军在北、东、南三个方向遭到苏军的攻击。更坏的情况是苏军的两翼如果会合，杰米扬斯克就会被苏军四面包围，在东线战场开战以来，德军还没有出现过这种遭遇。1月12日，勒布向希特勒请求将杰米扬斯克的部队西撤，在旧鲁萨地区重新组织防御。
希特勒认为勒布的判断过于悲观，他提出了所谓的“要塞战术”：即便第16集团军部队被苏军包围也并非坏事，因为这将会吸引更多的苏军在包围圈周围。包围圈的德军可以依靠空中补给坚守阵地，等到春季到来后，德军就能够将苏军围歼，更重要的是希特勒不想失去这个向莫斯科进攻的前进基地。
对于希特勒的所谓“要塞战术”，勒布极力反对。他认为这不仅丧失了战场的主动性，更有辱军人的荣誉，为此他向希特勒递交了辞呈。作为德军内部老派将领的代表，希特勒对勒布也早有不满，尤其是苏德战场爆发后，勒布对统帅部令其执行“焦土政策”极不配合。所以希特勒收到勒布的辞呈后，立即批准了他的请求，将北方集团军群的指挥权交给了第18集团军司令屈希勒尔。此后，勒布没有再也没有指挥过部队。
1月12日，南线苏军突破了德军的防御，德军第2军第123步兵师所辖第415、415团被割裂，两个团只剩下900人。作为预备队的党卫军骑兵旅和第81师向苏第4突击集团军发动反击，仅一天的时间党卫军骑兵旅就耗尽弹药而后撤；第81步兵师的反击最终演变成了一场屠杀，他们遭到第4突击集团军的猛烈打击，所属4个营被击溃，战场上丢下了1100具尸体。
苏军第4突击集团军司令员叶廖缅科记录了当时的战斗场景：“一个营的德国兵喝得烂醉，由一个玩弄手杖的军官带领，排着密集的分列式队形冲锋，遭到苏军的近距离火力射击，被全部消灭。”此外，在第4突击集团军猛攻下，中央集团军群的第253步兵师也被击退，苏军的2个突击集团军一路向西迅猛突击。
1月18日，刚刚接任北方集团军群司令的屈希勒尔发布命令，将后方的第8装甲师和预备队第218步兵师组建第39摩托化军，派往苏军2个突击集团军指向的霍尔姆，企图阻止苏军的推进，稳住北方集团军群南部的防线。然而，在第39军还没有到达指定位置时，1月23日，普尔卡耶夫指挥的第3突击集团军已经逼近霍尔姆。
匆忙之下，德军以后方担任警备任务的第281警卫师为基干，组成舍雷尔战斗群，在霍尔姆坚守，抵御苏军的进攻，等待援军的到达。这支战斗集群除了舍雷尔担任师长的警卫师外，还包括一些非战斗后勤人员，总计只有3500人。很快，苏军的3个师就将霍尔姆三面包围，他们将德军挤压到一块只有1.5平方公里的地区。
德军的增援也比预期更快，他们陆续进入霍尔姆城，其中包括从丹麦调来的第218步兵师的1个团、从德国本土调来的第329步兵师的1个机枪营和第123步兵师、第8装甲师的一小部分兵力，至1月底，霍尔姆城内的德军兵力有5000人。
除此之外，第39摩托化军在2月～3月之间陆续抵达霍尔姆城外，该军除了齐装满员的第8装甲师和第218步兵师外，还新编入了1个重炮集群（1个加强炮兵团），德军将重炮部队部署在霍尔姆城外西面10公里的位置，可以随时向城内守军提供炮火支援。至此，苏军在霍尔姆地区的进攻陷入停顿，战场上陷入胶着，任何一方都没有办法扭转局势。
在霍尔姆东北方向，面对可以围歼德军1个集团军的诱惑，斯大林动用最高统帅的权力，将朱可夫指挥的西方面军的第1突击集团军从正在激战的勒热夫方向抽调出来，加强给西北方面军北部集群。准备和第11集团军和近卫第1、第2步兵军，组成另一个强大的突击力量，切断杰米扬斯克和旧鲁萨之间的联系，从而将德军第16集团军主力合围在杰米扬斯克地区。作为补偿，斯大林将叶廖缅科的西北方面军第4突击集团军和普尔卡耶夫指挥的第3突击集团军转隶给和朱可夫一同进攻勒热夫的加里宁方面军指挥。
1月29日开始，加强了突击力量的第34集团军和第27集团军组成的南部集群开始向西北方向攻击；北部集群的第11集团军和第1突击集团军则南下攻击。在旧鲁萨以东，德军第290步兵师和第18摩托化师一直在维持着杰米扬斯克和旧鲁萨之间的交通线，他们从1月7日开始到2月初，已经击退了苏军146次攻击，处境越来越危险。2月9日，德军将第5轻型装甲师投入到这个地区，企图和第290步兵师一道继续守住交通线，但这个师刚投入战场，就被苏军近卫第1步兵军迎头痛击，不得不退回旧鲁萨。
2月12日，屈希勒尔向希特勒建议，放弃杰米扬斯克和旧鲁萨之间的陆上交通，让第290师与东南面驻守杰米扬斯克的第2军会合，组成内环形防御圈，希特勒同意了屈希勒尔的意见。2月13日，第290步兵师与第2军会合。2月25日，苏军北部集群近卫第1步兵军和中部集群第34集团军第42步兵旅在扎卢奇耶会师，封闭了杰米扬斯克地区的包围圈。在这个东西不足60公里、南北宽30公里的包围圈中，包括阿勒菲尔特指挥的德军第2军主力和汉森指挥的德军第10军一部，共计9.6万人。
希特勒和屈希勒尔并不担心第16集团军的处境，因为在包围圈中的德军都是经过严格训练的部队，而且具有丰富的作战经验。尤其是西奥多·艾克指挥的党卫军第3装甲师（骷髅师）尚有2万兵力，这支部队装备精良，而且具备更高的作战意志。
为了给包围圈内的德军提供补给，德国空军从各地抽调运输机进驻杰米扬斯克附近机场，最初集中的飞机有220架，后来增加到600余架，每架运输机可以一次装载2吨的物资。同时，德军将后方的飞行教官调往前线，以填补飞行员不足的困难。由于天气寒冷，德国空军只能维持30%的飞机执行运输任务，而杰米扬斯克包围圈内每天要消耗300吨的物资。所以，德军很多飞行员每天要往返2～2次才能够保障包围圈内的供应。
普斯科夫机场是最重要的空运机场，距离杰米扬斯克约250公里， 其中约150公里处于苏联地面控制范围。德国运输机要通过这段距离，将面临苏联高炮和战斗机的拦截。最初德国运输机单机飞行，后来随着苏军拦截的加强，运输机队改为每组20～30架编队飞行，还把飞行高度提升到1800—2400米高度。为了保护这些运输机，第1航空队派出第52战斗联队第1大队为运输机提供空中掩护，后续又增派第54战斗联队第9中队、第3战斗联队第3大队参加空中护航任务。
除了为杰米扬斯克提供物资补给，从3月份开始，屈希勒尔还将10个营的兵力送进了包围圈，以提升那里的防御力量。
而在此期间，由于苏军的空军仍然比较薄弱，对德军如此大规模的空中行动并没有能力做出有效的应对。当时在这一地区苏军可以作战的飞机只有32架战斗机，无法与德国空军正面抗衡。即便如此，苏空军的战斗还是经常出现在杰米扬斯克的上空，采用突然袭击的方式干扰德国空军的运输行动，仅在2月份最后的10天，苏军就击落了德军运输机11架。进入3月份，德军运输机的损失更大，德军自己宣称损失了28架飞机，苏军方面的数字是49架。
总体来说，德军通过空中为杰米扬斯克提供补给的行动是成功的。包围圈内每天能够获得所需的物资补给，并且可以将伤员运送到后方及时医治。1942年冬季，当保卢斯指挥的第6集团军被围困在斯大林格勒师，杰米扬斯克的行动对希特勒的决策产生了很大影响。不过此一时彼一时，1942年的冬天，苏军已经有了强大的反击力量，他们很快就破坏了为斯大林格勒提供补给的空军基地，从而彻底断绝了第6集团军的物资供给。而在杰米扬斯克战役期间，苏军尚没有这样的能力。
在南面的霍尔姆，城内的守军没有机场，德空军只能依赖空投向守军提供补给。此前德军曾经尝试在包围圈内的狭小空间强行着陆。但几分钟后，苏军的战斗机就赶到这里，向地面的飞机发起攻击。有了这次教训，德空军再也不敢冒险着陆，而空投的物资会经常落到苏军的阵地，效果并不理想。3月6日，德国空军使用80架滑翔机将1个空降营空投到霍尔姆，加强了那里的防御力量。
苏军完成对杰米扬斯克的包围后，并没有计划好如何歼灭这股德军。这是自爆发战争以来，苏军包围的最大的一股重兵集团，而且苏军一直没有搞清楚包围圈内的德军兵力，直到战争结束后，苏军还认为包围圈里的德军数量在6万~7万人左右。
在围困期间，苏军的处境也非常艰难，前线的补给无法得到保障，再加上德军利用空中优势，对苏军的运输线实施打击。苏军赖以进攻的炮兵阵地也经常遭到德军的空袭，所以一时之间也没有能力全歼包围圈内的守军。
为了消灭包围圈内的德军，苏军向库兹涅佐夫的第1突击集团军补充了兵员，然而由于战争动员能力还无法满足战场上的需要，补充给第1突击集团军的士兵年龄都在46~47岁之间，而且几乎都没有经过军事训练。在训练有素的德军面前，这些士兵根本不是对手。除此之外，苏军还以第34集团军的一部分作为基础，扩建了第53集团军。至此，参与对杰米扬斯克合围的苏军包括第1突击集团军，第11、第34和第53集团军。他们不断地对包围圈里的德军实施突击，试图将德军分割消灭。
在此期间，艾克指挥的党卫军第3装甲师（骷髅师）拆成了多个战斗群，他们成了包围圈里的救火队，哪里出现险情，他们就会被派往哪里堵住缺口。至3月底，这支部队损失了1.2万人，仅剩下6000余人能够继续作战。
虽然有空中补给的保障，包围圈内的德军处境也极为艰险。在寒冷的冬季，厚厚的积雪能够帮助德军抵御苏军的进攻，付出的代价是缺少冬季装备以及长期的在野外生存，导致了德军出现大面积的伤病，部队损失的兵力中，一半是因为冻伤导致的非战斗减员。
随着冬季的结束，屈希勒尔开始考虑解救包围圈里的第16集团军。在旧鲁萨，大量从西线和德国本土的德军赶到战场。至3月19日，德军在旧鲁萨已经集中了5个整师和一些零星的营团级规模的部队，这些部队统一由库尔茨巴赫指挥。
德军的解围计划非常简单，解围部队从旧鲁萨向拉姆舍沃进攻苏军第11集团军和第1突击集团军的结合部；同时在包围圈内以党卫军第3装甲师（骷髅师）为核心，向西方向突围，重新打通旧鲁萨和杰米扬斯克之间的联系。
3月21日7时30分，德军的解围行动（代号“桥梁”）开始实施。库尔茨巴赫首先命令第5和第8歼击师向旧鲁萨以南进攻，第18摩托化师和第329师负责保护其两翼，第122步兵师则作为第二梯队随时投入进攻。同时，第1航空队也出动130架轰炸机和80架战斗机提供空中火力支援。
双方在旧鲁萨东南的拉姆舍沃周围的几条河流区域展开激战。德军的进展虽然缓慢，但还是一点点地向包围圈靠近。4月12日，德军第8歼击师突破了苏军最坚固的桥头堡阵地，打开了通往拉姆舍沃的通道。
为了配合库尔茨巴赫的行动，包围圈内的德军也组成了突围集群，除了党卫军骷髅师以外，还有第32步兵师的5个营，第12、30、290步兵师也各抽出1个营组成突击团，这些部队由空降到包围圈内的第20摩托化师师长佐恩少将统一指挥。
4月4日，佐恩指挥的突围集群开始行动，但他们的行动此前已经被苏军察觉。在德军行动之初，苏军先用炮火和空袭阻滞了德军的行动，然后以10辆T-34坦克向德军突围集群实施突击。尽管苏军没能成功阻止这次突围，也让德军为此遭受了重大损失。至4月20日，突围集群攻占了拉姆舍沃的东端，当天晚上，骷髅师和第5歼击师取得了联系。5月1日，德军已经打开了一条4公里宽、40公里长的通道，不久这条通道的宽度扩大到6~8公里。
此后，在旧鲁萨和杰米扬斯克地区，双方的态势又保持了数月之久，苏军没有增派力量在这里恢复进攻。希特勒也没有让杰米扬斯克的德军放弃这个突出部。按照希特勒的计划，当德军在南方取得胜利后，如果苏军仍然不肯投降，那么杰米扬斯克突出部和南面的勒热夫突出部将是下一次进攻莫斯科的前进基地。
5月5日，一直在霍尔姆城外的德军第39摩托化军也开始了对霍尔姆城内舍雷尔集群的解救行动。第39摩托化军在重炮火力的支援下，第122步兵师的1个团冲入霍尔姆，将城内残余的部队成功解救出来。在3个多月的围困中，舍雷尔集群的5000多兵力有1200多人阵亡，除去负伤无法战斗的人员外，还剩下1555人。
至此，杰米扬斯克战役结束，苏军虽然没有能够歼灭被围的杰米扬斯克和霍尔姆被围困的德军，但也迫使德军北方集团军群在部分地域向西后撤第100多公里，收复了苏联大面积国土。
从1942年1月7日到5月20日，红军西北方面军损失了24.5万人，其中纯减员（阵亡、失踪、被俘）8.9万人，伤病15.6万人。德国的损失虽然比苏军少得多，但也同样惨重。第16集团军仅战斗损失就有58595人，其中阵亡12088人、失踪2852人、负伤43655人，如果将伤病损失计算在内，伤亡数字将超过10万人。
值得一提的是，由于党卫军第3装甲师（骷髅师）在这次作战中表现优异，让此前对党卫军不屑一顾的德国陆军部刮目相看。希特勒也从骷髅师以及在洛扎茨克阻止红军前进的党卫军第2装甲师（帝国师）出色的表现中发现，不顾及伤亡的武装党卫军往往比陆军更能够胜任他赋予的使命。以此为契机，希特勒将在1942年对他的武装党卫军进行进一步强化，还把大量高性能的坦克交给他们。此后，在东线战场上出现了更多党卫军部队。
德国空军元帅戈林也借此机会扩充自己的实力，在杰米扬斯克战役期间，第1空军野战团第3营进入霍尔姆后，因其作战表现出色，戈林便以此为契机开始扩充空军陆战队规模，不过戈林的空军陆战队在战争期间并没有什么亮眼的表现。
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