第一阶段：苏军进攻
战役在11月15日打响，到11月24日，苏军对大卢基城的进攻开始了。强大的苏军迅速从城的南北两面形成了半包围之势，几乎没有碰到成建制的抵抗(因为本来也没有多少部队)，苏军部队在零星的战斗中踏着雪地前进，到晚上，已经几乎形成了对大卢基城的合围。在Kuban小溪附近的德军撤退太快，以至于苏军第二天就可以展开对大卢基的进攻。然而25日的进攻让苏军伤亡惨重，26日，苏军继续加强进攻，但德国人仍然守卫着阵地，不过他们自己损失也很大。27日，苏军357步兵师完成了对城市的合围，那天Sass中校打给了司令部最后一个电话，此后，和城里只能通过无线电联系了。 28日中午，苏军已经切断了Novosokolniki城南的铁路，达成了他们的战役目标，德军Scherer将军开始接管该城战斗指挥权，他把一切能找到的兵力都集合起来，打算坚守到最后一人，虽然前线将士从开始就意识到敌军比料想的强大许多，但是希特勒的最高统帅部内此时正在为斯大林格勒焦头烂额，根本没有多少精力顾得上这个小城市。
由于中央集团军群的预备队全部投入了勒热夫方向，根本没有力量支援大卢基，于是请求向西方突围，如果当时得以批准，那么德军可以不遭到多少损失轻松突出重围，代价只是德军防线后撤10到15英里，而重要的维特伯斯克(Vitebsk)——列宁格勒(Leningrad)铁路仍在德军手中，而且空间足以掩护该铁路不受威胁，撤退后，形成的苏军突出部可以在德军抽出兵力后，从南方进攻而解决。
虽然希特勒没有多少精力来照顾大卢基的战斗，但是他却再次坚定的“照顾”了大卢基地区德军的命运，希特勒要求大卢基守军不惜一切代价，坚守到解围，而且也的确搜刮了附近能够作战的部队，但是当希特勒要求精锐的伞1师参战时，遭到了帝国元帅戈林的拒绝，这个精锐师的缺席，是德军没有成功解围大卢基的主要原因之一。(注：原文中戈林的理由是：“the pision remain intact in its present position”，根据其他资料考证，苏军在对大卢基进攻的同时，在周边地区发动了一些牵制性的进攻，第一伞兵师也被卷进去了，因此这句话很可能是“the pision remain contact in its present position”的笔误)
虽然一时没有增援部队到达战场，但是能抽调的增援部队的确在从各处向这里疾驰，包括一些原本应该出现已经取消了的斯大林格勒方向曼斯坦因进攻计划中的部队。
虽然最近的伞1师没有出现在战场，但是第8装甲师已经从列宁格勒启程，经过了长期的艰苦战斗，这个装甲师的实力大大削弱了，而且这个装甲师是以从来没有完成过预期任务而著称的。 也许大卢基包围圈内的德军听到是第8装甲师来解救他们时，“心里瓦凉瓦凉的啊”。不过这次战役中，他们表现很出色。此外，本来应该调往列宁格勒的第20摩托化师也奉命南下，291和205步兵师现在已经不用参加曼斯坦因的作战计划了，因为进攻已经取消了，也一并向大卢基推进，他们将由东南方进入战场，去解救南部的两个包围圈内德军。
1SS摩托化旅则奉命解救Novosokolniki，虽然他们也正在休整，但是战斗力还是很可观，但是戈林派出的第六空军野战师就差多了，几乎派不上什么用场。331步兵师则更惨一些，如果说其是二线部队，都有些抬举，它本来是在西线执行后方警戒任务，随后又被调到东线一个安静的角落执行同样的任务。它的两个团长太老了，老到没有人扶都难以自己走出团指挥部，于是只好让剩下一个稍微年轻力壮些的团长把时间分成三份，轮流指挥三个团作战。
此外，两个装备105mm火炮的炮兵营，一个火箭炮旅和勃兰登堡团一个轻步兵营也投入了战斗。这些部队是可以给苏军重大杀伤的。
双方都很清楚的认识到，大卢基城撑到援军到来是完全有可能的，所以尽管Kuban小溪边的德军防御工事尚未清除完毕，苏军就发起了对大卢基的进攻，想赶在援军到来之前拿下城市。在坦克的支援下，苏军的进攻一波又一波，虽然给德军带来了严重伤害，但是自己损失也更严重。就像在整个卫国战争期间一样，损失并没有影响进攻，虽然在缺少火力支援的情况下，进攻严密设防的城市是进攻方的地狱，进攻仍然从城市的各个角落持续不断。
苏军重型火力支援不足，尽管加里宁方面军调拨了一个重型迫击炮团和一个重型炮兵团，但是大多数重型火炮都被调往勒热夫了，这也是进攻前苏联人所担心的。但苏联人的炮兵还是很有效的给与了守城德军广泛杀伤，炮弹像冰雹一样砸在城里，后来城里满天都弥漫着水泥碎块，德军受伤率也因此非常之高，但是由于被围困，受伤的士兵也没法得以治疗和补充。不过一旦前沿阵地突破后，苏军也只能依靠人海冲锋。
尽管是在二战中最不惜代价进攻的苏军，也承受不起这样的消耗，到11月30日，参与主攻的第21和46近卫步兵师已经损失殆尽，不得不后撤整编，而第249爱沙尼亚步兵师，则士气低落到极点，几百名士兵甚至临阵倒戈，参加到德军一方，再也不愿意为斯大林战斗了。
不过苏军的损失换来了他们希望看到的结果，只不过3天，德军第343安全营快被打光了，幸存者不得不撤离城市。Sass意识到除非援军到来，否则早晚德军会被优势敌军消耗光。在12月15日，Sass电告Scherer：“士气仍然高昂……但是损失同样巨大，我们的补给不多，弹药有限……苏军蒙受了更巨大的损失，我们面前的爱沙尼亚各师士气很低，我们会坚守阵地，不会让战斗变成游击战……Sass。”
苏军在猛攻大卢基的同时，向战役的最终目标Novosokolniki推进，从11月24日到12月10日，优势苏军扫清了该城南北两侧的德军，南方的两个德军战斗群也被分割包围，动弹不得。
但是因为所有通向Novosokolniki的主要道路都要经过大卢基市区，而大卢基显然不是一天两天可以夺下来的，所以在向西突击的路上，即便是师属炮兵也难以通过洛瓦季(Lovat)河，如果要拿下Novosokolniki，缺少了这些火炮是不行的。普尔卡耶夫最终，也是唯一的选择是坦克和步兵迅速杀开一条血路奔向Novosokolniki，将清场留给后面的部队。
这样，只有先解救Novosokolniki，才有可能打开大卢基的局面，第三山地师重新夺回了Novosokolniki南方的铁路，而北方，第83和291步兵师的部队，到12月12日，也将苏联人击退了10公里。尽管如此，因为天气和大雪覆盖的地形，解救行动也仍然不易。第8装甲师，在北方的Gorki稍事休整就投入了战斗，他们这次非常拼命，和苏军争夺着每一寸土地，为了堵住它，苏军将能从大卢基和Novosokolniki抽调出来的部队，都扔到它前进方向上了。在如此强烈的狙击下，第8装甲师推进到一半就再也推不动了，它的步兵损失惨重，能开的坦克更少了。但第8装甲师的努力，使得苏军不可能再对Novosokolniki抱有幻想了，12月14日苏军决定放弃对Novosokolniki的进攻，铁路枢纽保住了。
第二阶段，德军解围
现在，战线开始稳定了，而苏德两军都停下来整补疲惫的部队，苏军的伤亡惊人，21和46近卫师彻底崩溃了，9和19近卫师也几乎伤亡殆尽。249爱沙尼亚师则有1100多人逃离战场。德国方面的损失相对更为严重，例如，一个山地团22名军官中损失了20人，战前786人的名单，现在只剩了60人，到12月18日，291步兵师和20摩托化师总共只有6,200人。
而德军能够得到的补充相当有限，因为在南线，斯大林格勒正在吞噬着德军的有生力量和补给，而德军能够得到的只有元首的口号，在12月16日，希特勒给Sass拍了专电：“我表彰你和你的士兵如此的勇敢作战，我相信你们会如钢铁般坚实，就像Scherer在霍尔姆一样等来援军。”作为一名勇敢的军人，Sass回电：“大卢基将坚守到最后一人”，同时，他请求空军空投更多的给养。
虽然斯大林格勒方向吸引了大量德国空军，在大卢基方面还是经常有飞机出没，他们尽全力为包围圈内投下必要的药品和其他补给，因为城里没有机场，所以空投成为最常见的方式，结果很多都补给了苏军。对于体积较大的补给品，则通常采用滑翔机，在经过一片密布高射炮的森林(苏联人就怕这个，所以特地防范)后，脆弱的滑翔机会降落在城里满是瓦砾的街道。
就这样，轻型反坦克炮和其他火炮，火箭炮弹药甚至整个班的特种人员被送进了大卢基，显然，这非常有效的延长了大卢基坚守日期，但是并不足以持续无限长时间。空军也损失惨重，整个大卢基战役期间，80架宝贵的He111和Ju52连同飞行员坠毁在这里。
由于Chevallerie很难在指挥守城部队的同时指挥解围，第二支解救部队指挥部也建立了，以便缓解Chevallerie的压力，这就是Wohler战斗群，由中央集团军群参谋长Wohler中将指挥，他们将从东南方向进攻。其下属部队从11月25日到12月18日已经损失了9,940人，而补充只是那些还能上战场的伤员。尽管如此，Wohler还是决定全力解救大卢基，1943年1月4日，代号为托提拉(Totila，东哥特人君主)的解救行动正式开始。虽然缺少坦克突击炮和弹药，但是由于解救迫在眉睫，所以鲜血和意志取代了武器，让德国军人们为了包围圈内的同志毅然前进。
而大卢基守军则只能眼巴巴看着围城的苏军换上了一批新人，而这些生力军再次给了他们重大打击，1942年的最后一天，城市被切割成两半，东部从此失去了和西部的联系，德军指挥官毫无办法，苏军为了拿下大卢基不惜血本，攻击规模从连到旅，无论遭受多大损失，他们总能获得新的补给，城市一天天被蚕食。
但在新年后，Sass仍然每天发出长长的战场报告，城里的情况一目了然。报告显示，几百名伤员被照顾的很好，完全没有被冻或者被敌人俘虏，但是他们得不到及时必要的治疗，连医护人员都不足，只好用俘虏的爱沙尼亚人充当护士，药品也几乎没有了。食物不足，储备的一点马肉也坏了，肠道疾病流行，弹药也快用尽了，而城里每次都遭到苏联人的弹雨，苏联空军也不分天气进行轰炸。与东部相比，西部情况较好，城堡成为了500名德军伤员的庇护所。
看到城里的情况，解救行动一刻也不能耽搁了。而Wohler面临着两个问题，一是如何解救大卢基南方两个包围圈内的德军，Wohler将他们交给了59军，命令他们自行突围，而最终他们也成功了。二是如何巩固现有战线，并且选择合适的突击点，由于现在德军防线最南端几乎不用考虑苏军的威胁，因为有空军第二野战军被部署在那里，而北面几乎是不可逾越的森林，所以，Wohler决定从中央打开通路。
在地面进攻中，苏联人也没有足够的兵力，掩护全部的防线，尽管1SS摩托化旅和20摩托化师在南线遭到了顽强的抵抗，但他们逼迫苏联人从更重要的中央防线抽调了部队。Wohler的预定目标，此时只能说是至多都部分达到了。相比两周后的德军解围行动，普尔卡耶夫一定会对自己在德军这次解围行动中的表现更加满意，因为他把一切能够阻止德军推进的装甲部队都顶在了德军面前，包括整个第二机械化军。但苏军对大卢基的进攻还在继续，情况在一天天的恶化。
虽然苏联人在河西缺少重炮，使得他们伤亡更大，但是很快他们想办法把更多的炮和弹药送过了河，Wohler难以推进，必须增加兵力，而原定进攻的两个师里有一个是完全不适合进攻的331师，于是只有1个师投入战斗，而城里的情况日益危急，除非苏军撤退，否则坚守不了几天。虽然南方遭到堵截，北方的第8装甲师也回天无力，但由于苏军抽调了部队到南北线，使得中线的进攻还是卓具成效的，最终德军距离城堡只有3公里了，1月9日，第五山地猎兵营搭乘突击炮和卡车，在大白天英勇地突进了城堡(Citadel)(也有资料称是勃兰登堡特种营搭乘缴获的T34和德国突击炮进入城堡的)，这成为一个关键的转折点。但疲倦不堪的苏军迅速组织了坦克和步兵反攻，迫使进攻的德军转攻为守。
现在东部想守住是不现实了，但是如果城堡(Citadel)能够守住，Sass可以率领他的部队向西突围，而且这里还将成为反击出发点。然而，解围行动兵力大大不足，如果再有一个营突入城堡，解围行动可能就成功了，但是没有更多部队了，而第五山地猎兵营的15辆装甲车辆不到1个小时就被苏联人的喀秋莎毁灭了，为了避免被歼灭，现在城堡守军只能向西突围了。
在希特勒的命令下，空军不情愿地投入了一个伞兵营，但是他们人数太少，来得也太晚了。在14日到15日夜，伞兵营拼命从西南向城堡突击，以便与包围圈内的第五山地猎兵营部队汇合，打开一条通往城堡的通路，然而，虽然有一名对地形非常熟悉的团长带队，在被苏军炸的面目全非的城区里，他们还是迷路了。而城堡里尚且可以行动的守军，则在第五山地猎兵营的带动下，竟然自行杀开了一条血路，经过血战后剩下的150名勇士，在早上出现在军司令部的面前。
大卢基最终陷落了，1月14日，Sass来电，“现在我们只有最后两个碉堡了，敌人已经出现在我司令部前方。”1月15日，4：40，Sass汇报说：“我们将不考虑突围，因为那样的话2,000名伤员将落入苏联人之手……请立刻解救我们，立刻!”在7：20，Sass再次来电：“请立刻解救我们!”在8：40，最后一条电报是“请立即向我们开炮!”此后一切都沉寂了。1月16日，官方宣布大卢基失守。虽然此后几天，西线还进行着战斗，但是已经无助于改变结果了。苏联人夺回了大卢基，7,000德国守军覆灭。德国人则守住了西部，尽管防御态势大不如前了。
