До 10 жовтня 3-тя і 4-та ударні армії просунулися на 25-30 км північніше й південніше міста. Щоб зупинити наступ радянських військ, німецьке командування перекинуло під Невель 4 піхотних і 1 танкову дивізії з інших ділянок фронту, а також значну частину авіації 6-го повітряного флоту. Розгорнулися запеклі бої з військами противника, що контратакували. Просування радянських військ було зупинено, 11 жовтня за згодою Ставки ВГК війська двох ударних армій перейшли до оборони.
В результаті проведеної операції радянські війська розгромили оборону противника в трикутнику Невель, Новосокольники, Великі Луки, перерізали залізницю Дно — Вітебськ, що зв'язувала німецькі групи армій «Північ» і «Центр», створили умови для наступу на Полоцькому і Вітебському напрямках.