1941年底德軍進攻莫斯科的“颱風”行動被蘇軍粉碎，蘇軍集結重兵挫敗德軍進攻後開始發起反擊，德軍由於冒進在傑米揚斯克地區形成一個大突出部，但是突出部內兵力薄弱，在相當於柏林面積的防守區域內只有12萬兵力防守。1942年1月7號，蘇軍最高統帥部命令西北方面軍向德軍突出部發動鉗形攻勢，集結28個步兵師、5個航空兵師、17個步兵旅、3個坦克旅共計23萬兵力向傑米揚斯克地區發動鉗形攻勢，蘇軍元帥鐵木辛哥親自指揮戰役，意圖削掉傑米揚斯克突出部，全殲突出部內德軍。
戰役開始之後蘇軍抓住德軍防守薄弱處進攻，人數捉襟見肘的德軍沒有能力防守廣闊的戰線，南北兩個方向的蘇軍長驅直入，於1942年1月29日到達預定位置，德軍側翼徹底被蘇軍佔領，之後鐵木辛哥元帥果斷命令蘇軍發動向心突擊，切斷德軍與後方聯繫。與2月25日南北部隊在匯合。徹底完成對包圍圈內德軍合圍，準備開始壓縮被包圍德軍，達成殲滅目標。
德軍原本在2月初就察覺到突出部有被包圍殲滅的風險，準備放棄傑米揚斯克地區，但希特勒堅持要固守該地區，2月22日，在該地區即將被包圍之前，希特勒宣佈傑米揚斯克地區為要塞，絕不能放棄該地區，要包圍圈內的德軍固守待援，將這次戰役作為防禦蘇軍的標杆。
此時包圍圈內的德軍主力為第16集團軍下轄的步兵第二軍第六軍，唯一的機動力量為黨衛軍“骷髏師”摩托化師，共計12萬人，他們將面對的是和柏林一樣大的防守區域，和四面八方湧來的蘇軍。不過在包圍圈內的德國國防軍都是久經戰陣的老兵，面對被包圍的情況仍然保持冷靜，狂熱的“骷髏師”的戰士更是士氣高昂，摩拳擦掌準備充當救火隊員打擊蘇軍的進攻箭頭。
為了達成希特勒的執念守住傑米揚斯克，德軍幾乎調集了東線所有的運輸機向包圍圈內德軍提供補給，集中了600架運輸機在寒冷的天氣下盡全力向包圍圈內運輸物資，在整個戰役期間，包圍圈內的德軍平均每天可以獲得273噸補給品，共計向包圍圈內補充士兵15446名，撤離傷病22093人。在得到物資人員補充的情況下，包圍圈內的德軍具備了基本條件。
隨後的傑米揚斯克變成了蘇軍的噩夢，傑米揚斯克地區主要為森林沼澤地形，缺乏道路基礎設施，蘇軍裝甲力量無法施展威力，不能像外圍戰鬥時一樣連續突破德軍防線。蘇軍隨後以步兵力量為主開始向包圍圈內的德軍發起進攻，在複雜地形展開作戰後德軍戰術素養迅速展現了出來。蘇軍集結數倍與德軍的兵力卻在森林裡寸步難行，傷亡重大卻未取得任何戰果，蘇軍進攻被遲滯之後德軍抓住蘇軍薄弱處不斷襲擾反擊，往往能殲滅超過自身數量的蘇軍，蘇軍在遭遇打擊之後很容易陷入潰散，北方進攻的第一突擊集團軍補充兵年齡在45到50歲，沒有受過軍事訓練，都是沙俄時期出生的文盲，幾乎沒有任何戰鬥力，蘇軍在整個戰役階段越打越弱，包圍圈內的德軍發現這個情況後越戰越勇。
黨衛軍“骷髏師”在戰役中爆發出令人震驚的戰鬥力，和難以置信的犧牲精神。在戰役前期與進攻的蘇軍在森林和沼澤裡搏殺，成為包圍圈內德軍堅持下去的支柱。在戰役後期蘇軍進攻勢頭減弱後，以一個師的力量沿著包圍圈建立了一條長達70公里的防線，面對蘇軍的衝擊復出巨大的傷亡但始終沒有後退一步，最後撤離時僅剩6700名士兵，傷亡過半，每公里正面不到100人防守，向來看不起黨衛軍的國防軍也對其刮目相看，16集團軍司令佈施親自向艾克師長表示感謝。
到1942年3月19日，德軍在包圍圈外集結了5個師，由塞德里茨中將指揮開始撕開蘇軍的包圍圈，為包圍圈內的德軍打開通道，4月21日突破蘇軍防線，打開了一個寬4公里長40公里的通道，4月23日包圍圈內德軍和解圍部隊接觸，通過打開的通道撤出傑米揚斯克地區，至5月20日德軍完全撤離傑米揚斯克地區，戰役結束。
此戰德軍在被完全包圍的情況下堅守3個月併成功撤離，創造了軍事史上罕有的奇蹟，在戰役期間蘇軍共計死亡88908人另有155603人受傷，德軍宣稱己方死亡6300人，受傷2.25萬人，蘇軍宣佈殺傷德軍五萬人，考慮到德軍為了宣傳需要沒有將飛機撤出包圍圈的傷員計算在內，總計傷亡應在5萬人左右。戰役進行當中傑米揚斯克成為了世界的焦點，蘇軍反覆向英美承諾將全殲德軍一個集團軍，結果碰了一鼻子灰，德軍則證明他們能守住任何陣地。這個戰役的結果也能解釋為什麼一年以後在斯大林格勒希特勒同樣面對包圍下達了死守的命令。
在此戰之後黨衛軍“骷髏師”用頑強和犧牲證明了黨衛軍的精銳地位，戰役結束後撤回國內由摩托化師改造為裝甲師，師長艾克也晉升地區總隊長，所有的參戰人員都獲發了盾形的戰役紀念勳章。在傑米揚斯克戰役結束之後，繼閃電戰德軍向世界展示裝甲力量在戰爭中的重要性之後，德軍再次向世界證明空中運輸能力可以左右戰場的戰局，被包圍並不意味著彈盡糧絕，各國開始重視自己的空中運輸力量，美軍在此戰過後開始深入研究戰略空運，在之後組建了世界第一的戰略空運力量。
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