В начале ноябре 1941 года началась Тихвинская наступательная операция. Основной целью операции был разгром тихвинской группировки немецких войск. К началу наступления на тихвинском направлении 4-я армия получила в свое распоряжение пять стрелковых, одну танковую дивизии, одну танковую бригаду и два танковых батальона. Благодаря этой переброске войск с других направлений соотношение сил немного изменилось в пользу советских войск. Это было необходимо для перехода в контрнаступление. Общая численность советских войск в 4-й, 54-й, 52-й армиях и Новгородской армейской группе составляла 186 тыс. человек, а противостоявшие им войска 16-й немецкой армии насчитывали около 140 тыс. человек.
Первыми начали контрнаступление под Тихвином войска 52-й армии под командованием генерал-лейтенанта Николая Клыкова. Они пытались прорвать вражескую оборону на рубеже реки Малая Вишерка и овладеть, превращенным в сильный узел сопротивления, городом Малая Вишера. Однако добиться положительных результатов в первые дни операции им не удалось.
После нескольких неудачных попыток штурма, сталкиваясь со сплошной завесой огня, командование приняло решение подготовить два отряда численностью до 500 человек для ночного маневра между опорными пунктами на подступах к Малой Вишере. В течение нескольких дней бойцы проходили интенсивную подготовку к предстоящей операции. Готовилось снаряжение и оружие, металлические предметы обматывались тканью, чтобы не создавать шума при движении.
Ночью 17 ноября обе группы скрытно просочились между опорными пунктами и вышли на коммуникации маловишерского узла сопротивления. Удачные маневры отрядов нарушили систему обороны немцев. В результате боев 20 ноября немцы оставили Малую Вишеру, которая была занята войсками 52-й армии. Штурм Малой Вишеры стал фактически первой ласточкой общего наступления Красной армии в зимней кампании 1941-1942 годов.
В то время пока шли бои за Малую Вишеру, на ключевом тихвинском направлении к наступлению подготовилась 4-я армия. Оно началось 19 ноября и развивалось в первые дни очень медленно. Наши войска вели ожесточенные, но безуспешные бои за опорные пункты противника, расположенные на переднем крае его обороны.
До начала декабря бои шли на окраинах Тихвина, западнее реки Тихвинка и вдоль дороги Тихвин – Тальцы. Наряду с усилением наших войск, немцы также получили подкрепление. В конце ноября была направлена 61-я пехотная дивизия из резерва группы армий «Север», части
215-й пехотной дивизии, перебрасываемой из Франции. Также в группу армий «Север» прибыла 250-я пехотная дивизия, сформированная из испанцев. Это была своего рода благодарность генерала Франко за помощь, оказанную ему Германией в ходе гражданской войны. В результате значительно возросло сопротивление противника наступлению 4-й армии.
Общий перелом в сражении под Тихвином наступил 7 декабря, когда советские войска перешли в контрнаступление под Москвой. В этот день левофланговые соединения 4-й армии прорвали оборону противника западнее Тихвина на линии железной дороги, и подошли к Ситомле, создав угрозу перехвата единственной коммуникации, связывавшей тихвинскую группировку противника с тылом. С целью предотвращения этой угрозы немецкое командование спешно сняло часть сил с фронта из-под Тихвина и перебросило их в Ситомлю. Воспользовавшись ослаблением вражеской группировки под Тихвином, войска 4-й армии решительно атаковали противника и сломили его сопротивление севернее и восточнее города. 9 декабря в упорном ночном бою они овладели городом и перешли к преследованию врага, отходившего в северо-западном и юго-западном направлениях.
Тем временем войска 4-й и 52-й армий, включенные ранее в состав вновь созданного Волховского фронта под командованием генерала армии Кирилла Афанасьевича Мерецкова, 27 декабря вышли к реке Волхов и захватили несколько плацдармов на её левом берегу. Но продвижение было приостановлено противником, который усилил свои войска. Удерживая занятые плацдармы на левом берегу реки Волхов, советское командование приступило к закреплению достигнутых рубежей.
В ходе Тихвинской наступательной операции, завершившейся 30 декабря, советские войска продвинулись на 100-120 км и нанесли значительный урон 10 вражеским дивизиям группы армий «Север». Был сорван план полного окружения г. Ленинграда. Контрнаступление под Тихвином сковало силы группы армий «Север» и не позволило немецкому командованию перебросить ни одной дивизии из её состава на усиление своих войск под Москвой. В то же время, развернувшееся в декабре 1941 года контрнаступление Красной армии под Москвой, способствовало окончательному поражению ударной группировки группы армий «Север» в районе восточнее реки Волхов.