接着，苏军在维亚兹马进行了首次大规模的空降战役。
1942年1月中旬前，苏军已经从北面和东南面完成了对德军中央集团军群的纵深包围，但未能攻占德军在尤赫诺夫和维亚兹马之间坚固的抵抗枢纽部，这些枢纽部不仅箝制着苏西方面军中路集团军的进攻，而且还严重阻滞着苏第3集团军和骑兵第1军向维亚兹马的进攻。苏军为了消除这些抵抗枢纽部，歼灭该区域内的德中央集团军群，决定加里宁方面军骑兵第1军南下，西方面军的近卫骑兵第1军北上，第33集团军从东南向维亚兹马进攻；同时，空降兵第4军于维亚兹马以西地区实施空降作战。
这是一次极其艰难的空降战役，原计划空降从1月21日开始，但由于运输途中铁路被德军破坏，空降兵未及时到达集结地域，开始时间不得不推迟到1月27日。整个战役分两个阶段进行。
第一阶段是从1月27日到2月1日，在奥泽列奇尼地区的空降作战。参战部队是空降兵第4军军部及所辖的第8旅、第9旅和第214旅，约1万人，由空降兵司令员格拉祖诺夫少将直接指挥。由40架ПC-84型民航客机和25架TБ——3型轰炸机承担空运，另有30架战斗机掩护空降兵出发地域，72架战斗机掩护空降，指挥所设在卡卢加，出发机场是卡卢加附近的格拉布采沃、扎什科沃和勒扎韦3个野战机场，空运距离为180～200公里。
1月24日，西方面军司令员朱可夫向空降兵第4军军长列瓦绍夫下达了作战命令。26日，军长列瓦绍夫向所属3个旅下达了实施空降作战任务：第8旅第2营作为军的先遣队，于27日在奥奇列奇尼亚地区空降，夺取空降场，保障主力空降；第8旅其余部队都于27日夜间跟进第2营空降，占领并扼守格拉金、别列兹尼基地区，切断德军退路；第9旅在第8旅之后于格里亚依诺沃地区空降，控制公路，阻断德军增援；第2军军部和所配属的独立坦克营、炮兵营为预备队，在维尔茨科耶地区空降。同时命令：在空降开始时，首先于维亚兹马。瓦基津卡和耶尔尼亚地区空降7个破坏群，每群20～30人，实施对敌侦察、破坏活动。
1月27日黄昏，空降战役开始时，原计划实施空运的65架运输机，只到了61架，掩护空降出发地的30架战斗机只到了19架，掩护空降的72架战斗机1架也未到。
27日16时，首先在德军预备队行动路线上空投了7个侦察破坏战斗组。同时，空降兵第8旅第二营638人也登机起飞。由于飞行员没有判定好方位，结果把第2营错投在预定目标以南20公里的塔博雷地区，空降时因遇到德军高射炮的猛烈射击，使伞降分布地域过大，其半径达到20～25公里，直到28日晨，才集合起476人。同时空降下的作战物资，如弹药、食品、滑雪工具等，大部分都未找到。更为严重的是，第2营着陆后，因电台损坏，与旅司令部失去了联系。在这种情况下，营长为完成先遣队的作战任务，除留少部分人在当地活动外，他带领全营主力，前往预定的空降地域，占领空降机场，迎接旅主力空降。28日晚，第2营到达预定的奥泽列奇尼亚地区，但该地机场已被德军占领。当夜，第2营就向机场守敌发起攻击，并夺取了机场，随之便点起迎接主力空降的篝火，设置对空联络信号。但由于电台没有修好，通信联络中断，一直未见苏军飞机临空。第8旅在得不到第2营空降报告的情况下，按原计划，于当日夜间，实施第二批空降。这次空降和第2营一样，不仅未空投到预定地域，伞降分布也很大，随部队空投的作战物资全部散失，而且，部队空降后也因电台损坏，与旅司令部失去了联系。由于旅司令部找不到空降后的部队，而且与军司令部也失去了联系。军司令部曾两次派联络军官到旅司令部了解情况。29日，军司令部又派侦察处副处长何克先诺夫上尉乘飞机前往空降地域了解情况，飞机在寻找部队的过程中因油料耗尽，被迫降落在沃朗佐沃村附近。着陆后，他没有找到各营指挥员，但集合起该地区的213名伞兵，组织他们攻占了沃朗佐沃村，歼灭了数名德军。随后，他们又攻占了附近的博尔迪列沃村和莫洛佐沃村。当时，旅司令部虽然还未与空降地域取得联系，但为了完成预定作战任务，29日晚又在原空降地域伞降了540人，30日白天伞降了120人。30日夜，空降兵第8旅旅长、政委亲自带领215人空降到敌后，并带去了电台。31日旅长沟通了与各营的联络，并向军司令部报告了空降作战情况。随后，又在该地区空降了389人。到2月1日止，历时6昼夜，第8旅共空降了2500人，及许多作战物资。然而，最后集合起来的只有1320人，空投的作战物资大都丢失。
这次空降战役开始后，德军侦察飞机很快发现了苏军的空降出发机场，从28日起，就连续多批次使用轰炸机和歼击机，对出发机场进行轮番轰炸和扫射，使苏军的三个出发机场有两个被严重破坏而不能使用。运输飞机也受了很大损失，最后只保留下12架。
2月初，维亚兹马地区的作战形势发生了变化，德军的防御有所加强，苏军的正面进攻受挫。根据当时的战场态势，空降兵第4军只好暂时停止空降。这一战役的第一阶段就此结束。
第二阶段是2月18日至24日在尤赫诺夫的空降作战。参战部队有空降兵第4军军部及所属的第214旅、第9旅和第8旅第4营。空降地域选在尤赫诺夫以西的热拉尼耶游击队活动区。当时，苏军在这里的战场态势日趋恶化，德军增援了新的力量，连续对苏军实施反突击。此次空降的任务，是从敌后突破德军防御，前出到尤赫诺夫西南25～30公里的华沙公路附近，与正面进攻到那里的苏第50集团军会合，然后合击德军后方，以协助西方面军主力歼灭尤赫诺夫地区的德军集团。参战飞机有41架ПC-84型和23架TБ——3型飞机，空运距离250公里。由于飞机数量不足，计划用3个夜间完成空降，每架飞机每夜出动两次。
2月17日夜，首批20架飞机在莫斯科附近的柳别尔齐机场飞向夜空，将作为先遣队的第8旅第4营投向预定空降目标。但是，由于飞行员经验不足，其中19架飞机因为未找到空降场而返回，只剩一架飞机还把伞兵投错了地方，这些伞兵空降后便杳无音信。接着，从18日到21日，第9旅和第214旅实施空降，到22日第4军军部完成空降后，整个空降结束。在空运过程中，第4军军长列瓦绍夫少将乘坐的飞机遭德军飞机袭击，军长中弹牺牲。此后，该军由参谋长赞金上校指挥。
这次空降，经过6个昼夜，出动飞机612架次，空降7373人，到24日才集合起一半的人员，空投作战物资1500余件，几乎全部散失。造成这样结果的原因，首先是跳伞高度过高。为了减少敌方地面火力对飞机的威胁，跳伞高度由原定的600米提高到1200米。其次是地空联络信号选择不当。苏军确定空降和空投的地面信号都是点燃篝火。由于当时天气很冷，苏军游击队和德军都到处点火取暖，后来德军还特意到处点火以迷惑苏军航空兵。因此，篝火遍布战场，使运输机很难找到空降场。
2月25日，空降后汇集起来的部队开始执行预定的战斗任务，向南发动进攻。但由于当时天寒地冻，气候十分恶劣，地面行动相当困难，加之德军又在空降兵预定的前进道路上占领阵地，步步阻击，部队进展很慢。27日，由于缺少弹药，又遇德军猛烈反击，他们被迫停止进攻，转入防御。这时，正在正面进攻该地德军的苏第50集团军也因作战失利，未能按预定计划进到华沙公路与空降兵会合。根据战场情况变化，上级命令他们改变计划，在当地与游击队结合，进行游击战。3月14日，他们接到方面军指示，对开进中的一支德军进行伏击，由于敌强我弱，兵力过于悬殊，未能完成作战任务。
维亚兹马空降战役是苏军第一次大规模空降作战。由于当时的困难局势，运输机严重不足，空降保障不力，组织指挥缺乏经验，空降兵与航空兵、空降兵与地面部队、航空兵与地面部队协调不好等多方面原因，致使战役失利。战役结束后，空降兵司令员格拉祖诺夫少将被解除职务，改任步兵兵团指挥员。
对这一战役的功过，贬者甚多。不过，在空降战役中，空降兵第4军在德军防线内部持续战斗近6个月，击毙德军1万多人，摧毁德军大量的武器装备，在很大程度上破坏了德军的交通补给线，扰乱了敌占领区域内的军事活动，其贡献是不可抹杀的。同时，红色伞兵在极度困难的条件下，舍生忘死，不惜一切代价，积极主动，独立作战，奋勇杀敌，他们这种顽强意志和英勇无畏的精神也永远值得后人学习。