Умелые действия Рокоссовского не остались без внимания. 7 августа он был назначен командующим 16-й армией вместо генерала М. Ф. Лукина, который вступил в командование 20-й армией. Войска 16-й армии (101-я танковая, 1-я Московская мотострелковая, 38, 152, 64, 108-я стрелковые дивизии, 27-я танковая бригада, тяжелый артиллерийский дивизион и другие части) занимали оборону на 50-км фронте, перехватывая основную магистраль Смоленск – Вязьма.
16 августа войска Западного фронта, 24-й и 43-й армий Резервного фронта начали наступление с целью разгромить духовщинскую и ельнинскую группировки противника. Ставка ВГК, стремясь развить наступление, направила 25 августа командующему войсками Западного фронта директиву № 001254, которая требовала «энергично продолжать начавшееся наступление, разбить противостоящего противника и во взаимодействии с войсками левого крыла Резервного фронта к 8 сентября выйти на фронт Велиж, Демидов, Смоленск». В задачу 16-й армии входило ударом на станцию Кардымов, Смоленск оказать содействие 19-й и 20-й армиям в разгроме смоленско-ярцевской группировки противника[74].
Утром 1 сентября войска 16-й армии после 30-минутной артиллерийской подготовки перешли в наступление. Вначале оно развивалось успешно, но затем противник подтянул резервы, в том числе танки, и вынудил войска армии 5 сентября отойти на прежние позиции. Смоленск оказался недосягаемым для армии Рокоссовского, но своими действиями она отвлекла часть резервов противника, предназначавшихся для боев под Ельней. Это позволило 24-й армии освободить 6 сентября Ельню. 10 сентября Ставка ВГК, учитывая усталость войск, приняла решение о переходе к обороне на Западном, Резервном и Брянском фронтах[75].
Заслуги войск 16-й армии были оценены по достоинству. Ее дивизии – 1-я Московская мотострелковая и 64-я стрелковая – вскоре были преобразованы в гвардейские. Командующий армией Рокоссовский 11 сентября получил очередное воинское звание – генерал-лейтенант.
Директива Ставки от 10 сентября поставила последнюю точку в Смоленском оборонительном сражении. Его главным итогом был срыв плана противника на безостановочное продвижение к Москве. Впервые во Второй мировой войне Вермахт был вынужден прекратить наступление на главном направлении и перейти к обороне. Это позволило Ставке ВГК выиграть время для совершенствования стратегической обороны на московском направлении и подготовки стратегических резервов. Противник понес значительные потери. К концу августа его моторизованные и танковые дивизии лишились половины личного состава и материальной части, а общие потери составили около 500 тыс. человек