3‑я танковая группа Гота ударила из района севернее Духовщины и совместно с пехотными дивизиями 9‑й полевой армии Штрауса повела наступление на Сычёвку, явно угрожая правому, внезапно оказавшемуся открытым флангу 19‑й армии Лукина. Танковый клин начал охватывать Вязьму с севера, а затем, оттеснив и частично смяв войска 30‑й армии Хоменко, и с северо–востока.
Исследователи вяземской катастрофы 1941 года говорят о том, что в полосе прорыва шириной до 16 километров, где стояла 162‑я стрелковая дивизия и примыкавшие к ней — справа полк соседней 242‑й стрелковой дивизии 30‑й армии и слева полк 244‑й стрелковой дивизии 19‑й армии, — удар наносила группировка, состоявшая из восьми дивизий.
Одновременно были атакованы порядки Резервного фронта на участке, прилегающем к Варшавскому шоссе. 4‑я танковая группа при поддержке пехотных частей 4‑й полевой армии, прорвав оборону войск маршала Будённого, вышла на шоссе. Часть сил ринулась к Юхнову, а часть начала загибать основание клина в сторону Спас — Деменска, охватывая Вязьму и всю группировку находившихся здесь войск с юга и юго–востока. Возникла реальная угроза окружения основных сил Западного и Резервного фронтов. Немецкий историк Пауль Карель в одной из своих книг, посвящённых походу Гитлера на Москву, об этом наступлении не без восхищения сказал: «Это был, наверное, самый выверенный план за всё время войны, и всё в нём работало как часы».
С атакованных участков командармы сообщали о прорыве и попытках латания брешей резервами и усиленным огнём артиллерии. С каждым часом положение становилось всё хуже.
19‑я армия. Лукин сообщает о том, что обозначился прорыв на его правом фланге, на стыке с 30‑й армией. Принял меры по воспрещению охвата своего правого крыла, оказавшегося оголённым. Перебрасывает резервные части и артиллерию со слабо атакованных участков. «Связи с 30‑й армией не имею».
30‑я армия. Хоменко докладывает: противник силою до двух пехотных полков при поддержке большого количества танков и до 120 самолётов прорвал оборону 162‑й и 242‑й стрелковых дивизий. Полки дерутся изолированно. Противник наносит бомбовые удары по городу Белый и железнодорожной станции Канютино. «Прошу помочь авиацией фронта».
В 18.00 три группы пикирующих бомбардировщиков по 14–16 машин нанесли удар по командному пункту Конева в Касне. В налёте также участвовали бомбардировщики Ю-88, ими было сброшено несколько тяжёлых бомб весом 1 000 кг. Одной из таких бомб разнесло в щепки здание, в котором располагались оперативный отдел управления ВВС фронта и шифровальное отделение. Десятки убитых и раненых. Среди погибших 20 офицеров штаба, из них три полковника.
3 октября по приказу Конева Лукин и Ершаков (20‑я армия) контратаковали частью своих сил на Сафоново и Красный Холм.
16‑я армия. Рокоссовский докладывает о том, что его дивизии продолжают удерживать район Минского шоссе. Противник контратакован и отброшен на исходные. «Перед фронтом армии противник имел свыше двух пд в первом и до восьми пд и двух тд во втором эшелонах».
Рокоссовский твердил об этих танковых и пехотных дивизиях второго эшелона из сводки в сводку, и это сбивало с толку штаб. Главный же удар противник развивал севернее автострады, в районе Холм — Жирковского. На фронте 16‑й армии немцы лишь демонстрировали наступление, сковывая силы с расчетом, что противник не осмелится ослабить этот участок и перебросить силы в район прорыва. В своих мемуарах маршал Рокоссовский довольно сдержанно рассказывает об этих боях. Основное место в воспоминаниях о вяземской истории занимают описания того, как управление 16‑й армии, получив приказ Конева, плутало по окрестностям Вязьмы, потом едва не попало под огонь немецких танков в самой Вязьме, а потом с боями пробивалось к Можайску.
Сведения, поступавшие от командармов, складывались в довольно противоречивую картину. Наметился явный прорыв в направлении на Белый и станцию Канютино. Но одновременно Рокоссовский настаивает на том, что вдоль Минского шоссе противник накопил во втором эшелоне огромное количество войск, и их состав и конфигурация построения свидетельствуют в пользу того, что это и есть главная ударная группировка.
Противоречивость сведений, неясность ситуации, а также, возможно, нерешительность комфронта способствовали тому, что вскоре поправлять положение оказалось почти невозможным.
Фронтовые резервы по–прежнему находились в районах сосредоточения близ Вязьмы.
Утром 3 октября в 5.00 в штабы 19‑й и 30‑й армий ушёл приказ, согласно которому объединённая группировка этих двух армий, стык которых проломило бронированное копьё «Тайфуна», должна была произвести частичную перегруппировку и контратаковать прорвавшегося противника. Основная роль в намечавшемся контрударе возлагалась на фронтовой резерв, сведённый в объединённую группировку. Командование этой группировкой Конев возложил на своего заместителя генерал–лейтенанта И. В. Болдина.
Ударная группа состояла из одной стрелковой, одной кавалерийской и одной мотострелковой дивизии (69 танков), а также трёх танковых бригад, в которых насчитывалось 172 танка. Удар оперативной группы генерала Болдина должны были поддерживать войска 30‑й армии.
Из донесений генерала Болдина, сохранившихся в архиве Министерства обороны РФ, видно, что наше командование, к сожалению, даже к исходу 3 октября не имело представления, насколько серьёзная угроза нависла над войсками и судьбой фронта. Болдин доносил в штаб фронта о «танковых группах силами 15 и 40 танков», прорвавших оборону 30‑й армии и вышедших в район севернее Вязьмы. Реальность была в стократ (в буквальном смысле этого слова и этого числа) страшнее.
Части оперативной группы Болдина не смогли сосредоточиться для согласованного удара, а потому, выдвигаясь навстречу противнику, вступали в бой по мере соприкосновения с ним, то есть по частям, разрозненно. К тому же опергруппа не располагала достаточным количеством противотанковой и зенитной артиллерии. Действовать пришлось одновременно на двух направлениях.
Немецкая разведка быстро определила состав и положение оперативной группы генерала Болдина. 4 октября на боевые порядки контратакующих частей обрушил всю свою мощь 8‑й авиакорпус группы армий «Центр».
Тем временем генерал Лукин храбро и стойко отражал новые и новые атаки на своём фронте. Против него действовало до семи пехотных дивизий при поддержке 150 танков. Пока противнику не удалось пробить или опрокинуть порядки его дивизий. 5 октября 19‑я армия продолжала удерживать свои рубежи к северу от Минского шоссе.
В этот же день, 4 октября, с южного крыла пришло известие, смысл которого потряс всех офицеров штаба Западного фронта: противник, частично смяв и рассеяв, а частично оттеснив войска 33‑й и 43‑й армий Резервного фронта, сделал глубокий прорыв в районе Спас — Деменск — Ельня.
И. С. Конев: «Прорыв противника в этом направлении создал исключительно трудную обстановку и для 24‑й и 43‑й армий Резервного фронта, и для Западного фронта. Наши 20‑я, 16‑я, 19‑я армии оказались под угрозой охвата с обоих флангов. В такое же положение попадала 32‑я армия Резервного фронта. Обозначилась угроза выхода крупной танковой группировки противника с юга со стороны Резервного фронта в район Вязьмы в тыл войскам Западного фронта и с севера из района Холм — Жирковского».
И. С. Конев: «В связи с создавшимся положением я 4 октября доложил Сталину об обстановке на Западном фронте и о прорыве обороны на участке Резервного фронта в районе Спас — Деменска, а также об угрозе выхода крупной группировки противника в тыл войскам 19‑й, 16‑й и 20‑й армий Западного фронта со стороны Холм — Жирковского. Сталин выслушал меня, но не принял никакого решения. Связь по ВЧ оборвалась, и разговор прекратился. Я тут же связался по «Бодо» с начальником Генерального штаба маршалом Шапошниковым и более подробно доложил ему о прорыве на Западном фронте в направлении Холм — Жирковский и о том, что особо угрожающее положение создалось на участке Резервного фронта. Я просил разрешения отвести войска нашего фронта на Гжатский оборонительный рубеж. Шапошников выслушал доклад и сказал, что доложит Ставке. Однако решения Ставки в тот день не последовало. Тогда командование фронта приняло решение об отводе войск на Гжатский оборонительный рубеж, которое 5 октября было утверждено Ставкой. В соответствии с этим мы дали указание об организации отхода войскам 30‑й, 19‑й, 16‑й и 20‑й армий».
Фразу Конева по поводу того, что Сталин выслушал его тревожный доклад, «но не принял никакого решения», историки потом интерпретировали как растерянность Верховного.
Что ж, возможно, Сталин на какое–то время растерялся. Но, как теперь стало известно, Сталин тут же позвонил Жукову в Ленинград:
— У меня к Вам только один вопрос, — сказал Верховный, — не можете ли сесть на самолет и приехать в Москву. Ввиду осложнения на левом крыле Резервного фронта в районе Юхнова Ставка хотела бы с Вами посоветоваться о необходимых мерах.
Директиву на отвод войск Конев получил только в ночь с 5‑го на 6‑е октября. Почти сутки Ставка думала, что предпринимать! А время — даже часы и минуты — работало в тот период не на Красную армию. Той же директивой Западному фронту передавались 31‑я и 32‑я армии. Но теперь они были не в помощь Военному совету фронта, теперь, когда предстояло отводить, снимать с позиций из–под носа, из–под огня противника, дивизии и отводить их под непрерывным обстрелом артиллерии, они были только обузой.
И. С. Конев: «Ставка, к сожалению, с большим опозданием подчинила Западному фронту 31‑ю и 32‑ю армии Резервного фронта. Будь это сделано до начала сражения, мы могли бы их использовать в качестве второго эшелона… ”
Выполняя приказ, войска фронта, главным образом 19‑я и 20‑я армии, не имея сильного нажима наступающего противника с фронта, прикрывав свои фланги, начали последовательно отходить от рубежа к рубежу. Первый промежуточный рубеж был намечен на Днепре, где были подготовлены позиции Резервным фронтом.