巴巴罗萨计划出台半年后，苏联还浑然不觉，1941年5月1日，莫斯科红场举行阅兵式纪念国际劳动节，虽然英国等国和苏联间谍多次向斯大林汇报，德国将在1941年夏进攻苏联，但斯大林认为，英国和德国的战争见分晓之前，德国还没有能力进犯苏联。他甚至怀疑，这是英国间谍为了将苏联拉入对德作战的陷阱而捏造的。

德意志国防军在巴巴罗萨行动开始后，在北部及中部战线获得了巨大的成功，只是在南方留下一个巨大的突出部，在这里有一支庞大的红军，包括几乎整个西南方面军，在乌曼战役中虽然取得很重大的胜利，但大部份红军在谢苗·布琼尼的指挥下仍然留在基辅一带，由于大部份装甲力量已在乌曼战役中被消灭，他们因此缺乏装甲及机动力量，他们不可能再威胁德军的进攻及在当时是红军在东线的最大一支部队。

1941年8月底，德意志国防军最高统帅部面临抉择，向莫斯科继续进攻或消灭南面的苏联红军，由于南方集团军没有足够力量包围及消灭敌军，中央集团军需要提供支持以完成任务，经过争论后，第2装甲集群及第2军团从中央集团军转属南方集团军及向南推进，在基辅以东与南方集团军进攻部队会合。装甲部队快速进攻以完成包围，这令布琼尼措手不及，他因此在1941年9月13日被斯大林撤去西南方面军司令员的职务。没有人继任指挥，各军及师的指挥官各自为战，1941年9月16日晚上6点20分，保罗·路德维希·埃瓦尔德·冯·克莱斯特的第1装甲集群与海因茨·古德里安的第2装甲集群的先遣部队在基辅以东200公里的洛赫维察会师以完成包围。根据西南方面军司令部的统计，共有53.2万名苏联红军士兵被包围。

苏联红军参战部队有西南方面军（司令为基尔波诺斯上将）、布良斯克方面军（司令为叶廖缅科中将）和南方面军（司令为秋列涅夫大将）一部，德军参战部队有“南方”集团军群（司令为龙德施泰特元帅）和“中央”集团军群一部（司令为博克元帅）。

在边境地区一系列战斗和杜布诺—卢茨克—罗夫诺坦克交战失利后，苏联红军最高统帅部认为西南方向是德军进攻的主要方向，因而把苏联红军大部分兵力部署在乌克兰，有西南方面军（第5，第6、第26、第12集团军）、南方面军（第18、第9集团军）计6个集团军，69个步兵师、11个骑兵师和28个装甲旅，由西南方向总司令苏联元帅布琼尼指挥。苏联红军西南方面军遵照最高统帅部大本营的号令，于1941年6月30日开始从西乌克兰退却。方面军的任务是在1941年7月9日前以野战军队占领构筑于旧国界的科罗斯坚、沃伦斯基新城、舍佩托夫卡、旧康斯坦丁诺夫、普罗斯库罗夫等筑垒地域，并在这一线组织坚固防御。预定在基辅方向行动的德军“南方”集团军群（坦克第1集群，司令为克莱斯特上将；第6、第17集团军，司令分别为赖歇瑙上将、施普拉格上将）基本兵力的目的，是突破苏联红军在旧筑垒地域一线的正面，前出至基辅地域，夺取第聂伯河的登陆场。然后突击集团转向东南进攻，以阻止西南方面军主力向第聂伯河对岸退却，并从后方实施突击将其消灭。

西南方面军有44个也已在战斗中严重削弱的师与德军40个师（内有10个坦克师和摩托化师）对峙。德军步兵、火炮和迫击炮比苏联红军多1倍多，飞机多50%。1941年7月5日，德军开始进攻，在主要突击方向，德军在该方面军完成退却和在筑垒地域一线展开前即已到达。早在1941年7月7日，德军以坦克兵团为第一梯队，突破了苏联红军在新米罗波尔以北的防御，傍晚夺占了别尔季切夫。次日。又在沃伦斯基新城以南实施突破，1941年7月9日，夺占了日托米尔。

1941年7月11日，坦克第1集群先遣部队在两昼夜内前进110公里，进抵基辅以西15—20公里的伊尔片河。在此，坦克和摩托化步兵被苏联红军阻于基辅筑垒地域的外层围郭。德军从行进间夺取基辅的企图被打破。

此时，苏联红军总参谋长朱可夫大将建议斯大林放弃基辅，将西南方面军撤到第聂伯河对岸，以避免被德军合围，然后全力保卫莫斯科。但被斯大林断然拒绝，朱可夫被解除总参谋长职务，担任预备队方面军司令员。

1941年7月16日，德国中央集团军群古德里安的第2装甲兵团攻占了斯摩棱斯克，打开了通往莫斯科的大门。正当古德里安等德军官兵踌躇满志地准备杀向莫斯科时，希特勒却决定暂时放弃莫斯科方向的作战，而以乌克兰和列宁格勒为主要目标，他始终认为这两个目标要比莫斯科具有更大的重要性。他不顾他的将军们的再三劝说，发布了第与南方集团军群合作，对基辅附近的苏军进行一个大包围战。 自对苏开战以来，伦斯德的德南方集团军群进展不如中央集团军群那样顺利，虽然克莱斯特的第1装甲兵团一路向东南挺进，取得了突出的成就，但左翼第6集团军却在基辅前方的第聂伯河西岸被阻。

担任包围作战任务的是德南方集团军群和中央集团军群的两个增援部队。古德里安的第2装甲兵团军从图比齐夫斯克以西渡过杰斯纳河向南挺进，直插基辅后方的罗姆尼；中央集团军群的第2集团军从戈梅尔向南运动，掩护古德里安的右翼。克莱斯特的第1装甲兵团则从第聂伯河河湾上的克里门巧格向北进攻，与古德里安在罗姆尼附近会合；南方集团军群的第17集团军则负责把苏军牵制在切尔卡赛以北第聂伯河河湾，同时掩护克莱斯特的左翼。与此同时，南方集团军群的第6集团军向东运动，渡过第聂伯河，进攻基辅。

德军深远的正面突击和随后的翼侧突击，把方面军割裂成几个孤立集团。基辅西北该方面军右翼的第5集团军，在科罗斯坚筑垒地域阵地战斗约一个半月，以其行动牵制德军共约10个师。该集团军对直接进攻基辅的德军集团翼侧实施的反突击，大大改善了守城苏联红军的处境。遵照最高统帅部大本营的指示，集团军在1941年8月下旬退守基辅以北新的防御地区。第6、第12集团军及第18集团军一部共20个师在基辅西南、方面军左翼进行苦战。

1941年8月3日，德军以两翼突击在乌曼地域合围了该集团。1941年8月8日，“乌曼口袋”被消除，德军俘虏了10.3万名苏联红军，内有第6集团军司令穆济琴科中将和第12集团军司令波涅杰林少将，德军缴获317辆坦克、858门火炮。战斗行动在这里延续到1941年8月13日。这些行动的失利，使西南方面军和南方面军（第6、第12集团军自1941年7月25日起改隶南方面军，成为其右翼）接合部的情况极端复杂化。在中央防守的是第37、第26集团军（前者以基辅筑垒地域为基础组建，后者基本上由在基辅以南行动的各预备兵团组建）。

1941年7月19—29日，第26集团军企图进行一个战役来破坏德军坦克第1集群的包围机动，但仅阻住该集群数天，随后在德军突击下亦被迫退却。德军突至基辅近郊彼罗戈夫、茹利亚内、梅舍洛夫卡、霍罗斯伊夫森林，以及林业工程学院和农业学院。但是，苏联红军实施的反突击使沿筑垒地域外层围郭的战线在1941年8月15日前几乎完全恢复。其中的主要反击有，驻守在茹利亚内机场的第5空降旅（由亚历山大·罗季姆采夫率领）在夜间对德军的突袭，将德军战线击退了2至3公里；以及新组建的第37集团军在1941年8月上半月成功地击退了德军重兵集团为攻占乌克兰首都而从西南实施的强大突击。基辅市民及附近居民积极参加保卫城市。根据乌克兰共产党（布）中央委员会、共和国最高苏维埃主席团和人民委员会的决定，成立了城防司令部。短期内，有20万基辅人志愿参加了苏联红军。

苏联红军的顽强抵抗和多次反突击，使“南”集团军群左翼的进攻受到长时间的迟滞，迫使德军统帅部从莫斯科方向调“中央”集团军群的一大部分兵力——第2集团军（司令为魏克斯上将）和坦克第2集群（司令为古德里安上将）来对付西南方面军。德军的计划是，坦克第2集群从图比齐夫斯克以西渡过杰斯纳河向南挺进，直插基辅后方的罗姆内；第2集团军从戈梅尔向南运动，掩护坦克第2集群的右翼；坦克第1集群则从第聂伯河河湾上的克列缅丘格向北进攻，与坦克第2集群在罗姆内和洛赫维察地区会合，把第聂伯河西岸的苏联红军切断在大河曲一带；第17集团军负责把苏联红军牵制在切尔卡瑟以北第聂伯河河湾，同时掩护坦克第1集群的左翼；第6集团军向东，渡过第聂伯河，进入基辅，并开始围歼这批苏联红军重兵集团。1941年7月21日，德军统帅部下令加强苏德战场南北两翼的攻势，并从北、南两面沿第聂伯河东岸对方面军进行深远迂回。

1941年8月8日，德军坦克第2集群和第2集团军开始向斯塔罗杜布、科诺托普方向和戈梅利、切尔尼戈夫方向发展进攻。此时，苏联红军识破了德军企图，于1941年8月19日命令将西南方面军各集团军撤至第聂伯河对岸，沿东岸组织防御。在西岸，苏联红军仅应坚守基辅地域的阵地。为了掩护方面军右翼，由其他地段撤下来的兵团重新组建的第40集团军，在科诺托普以北沿杰斯纳河展开。大本营责成布良斯克方面军防止德军从北面突向西南方面军后方。但该方面军未能完成所受领的任务和阻止德军的翼侧运动。1941年9月初，德军进抵杰斯纳河，并在绍斯特卡、科罗普、维布利等地域进行了强渡。1941年9月10日，坦克第2集群先遣部队在西南方面军后方夺取了罗姆内市（该市距离克列缅丘格据点足有180公里）。

1941年9月11日，苏联红军西南方向总司令苏联元帅布琼尼察觉到处境危险，向斯大林请求东撤，同样遭到斯大林拒绝，斯大林命令死守基辅（后来证明这是个传言，斯大林并没有固执己见，明令要求不惜一切代价死守基辅，他只是对撤退提出了要求，他们必须沿第聂伯河一线保持防御，并对前进中的古德里安的装甲部队发起反击。而且未经最高统帅部批准，不得放弃基辅，也不得放弃任何桥梁）。13日，斯大林认为布琼尼消极避战，将其免职，由西方向总司令和西方方面军司令员苏联元帅铁木辛哥接替他的指挥。

在苏联红军西南方面军南翼，德军于1941年8月30日晚强渡了第聂伯河，并在克列缅丘格地域夺取了一个登陆场（后来被称作是克列缅丘格据点）。在此地行动的第38集团军（由大本营预备队转隶该方面军）未能清除这个登陆场。1941年9月12日，坦克第1集群从该登陆场向卢布内总方向发起进攻。苏联红军此时面临被合围的危险，苏联红军西南方面军司令员基尔波诺斯上将为保存苏联红军有生力量，不顾被送上军事法庭的危险，自行下令部队全线后撤，但这一命令却很快被苏联红军最高统帅部给撤销了，苏联红军最高统帅反而要求西南方面军要实施更加积极的战术，对德军发起反攻。苏联红军错过了最后时机。1941年9月16日，由于布良斯克方面军的叶廖缅科未能实现他向斯大林作出的“粉碎古德里安”的保证，古德里安与克莱斯特的装甲集群在洛赫维察会师，西南方面军被德军合围。于是，西南方面军4个集团军，即第21（1941年9月6日由布良斯克方面军转隶西南方面军）、第5、第37、第26集团军，陷入了合围。

1941年9月16日，战争史上最大的围歼战开始了。自9月16日起，德军以第2集团军和第6集团军为主，对被围之苏军第5、第21、第38、第26等5个集团军发起围歼作战。困守在袋形阵地的苏军拼死抵抗，阵地上高音喇叭发出的斯大林那激动人心的讲话，传遍了整个战场。苏军在无燃料又无弹药的情况下，端起刺刀整营整营地向德军的坦克、大炮和机枪发起多次勇猛攻势，企图突破包围向东撤退。然而血肉之躯终究不敌钢铁，苏军在德军坦克的炮击、扫射和碾压下，成千成万地死伤，除少数部队得以逃脱外，其主力仍处于围困中。1941年9月20日，基辅城被德国第6集团军攻占。同日，德军第46装甲军赶到，并作为生力军投入战斗。与此同时，苏军也不断地投入生力军，企图协助被困苏军突围，但均被德军击退。

西南方面军的部队迅速被德军分割包围，陷入了一片混乱。1941年9月17日，斯大林让苏联红军总参谋长苏联元帅沙波什尼科夫下令同意西南方面军突围，但为时已晚。1941年9月19日，基辅陷落，第37集团军被迫向亚戈京地区转移。西南方面军在被合围中继续战斗。为其解围的尝试由于兵力不足而无结果。1941年9月16日至20日，西南方面军被德军分割成六股防御力量：驻守在佐洛托诺沙镇以北20到30公里处的第26集团军在奥尔日察地区坚守到1941年9月24日；驻守在基辅东南方40到50公里处的第37和第26集团军坚守到1941年9月23日；驻守在彼利亚金东南部的第21集团军坚守到1941年9月23日；驻守在彼利亚金东部的第5集团军坚守到1941年9月23日；驻守在基辅东北方10到15公里处的第37集团军坚守到1941年9月21日；驻守在亚戈京地区的第37集团军坚守到1941年9月26日。

仅部分军队得以分成小群向东突围，共有2万官兵最后得以突出德军重围。1941年9月20日，方面军司令基尔波诺斯上将、军事委员会委员布尔米斯坚科和参谋长图皮科夫少将在突围战斗中阵亡，第5集团军司令波塔波夫坦克兵少将被俘，1941年9月26日，西南方面军基本被歼。1941年9月27日，由苏联元帅铁木辛哥接替指挥的西南方面军（第40、第21、第38、第6集团军），受领了在别洛波利耶、希沙基、克拉斯诺格勒一线组织坚固防御的任务。 此战，是战争史上规模最大的一次围歼战。

德军于1941年9月19日进入了基辅市区。

1941年9月24日，苏联内卫军炸毁了赫列夏季克大街上的几幢建筑物，那里有占领区事务局的部分代表。爆炸和火灾在接下来几天持续不断，基辅市民一直往自家屋顶不断浇水，以免被火灾殃及。没有人去扑灭这场大火，它持续了四天四夜。

德军以这些事件作为借口，开始对基辅市内的犹太人进行残酷清洗。1941年9月28日，基辅市区张贴出2000张布告，要求当地的犹太人于1941年9月29日在梅尔尼科夫大街和杰格佳廖夫斯卡娅大街的交叉路口集中，以便德军实施“迁移计划”。第二天，数万人到达指定地点集中。他们被要求从梅尔尼科夫大街一直走到基辅市郊，由德军把守的巴比亚尔峡谷。临近峡谷时，所有男女及儿童都被要求脱下衣服叠好，并将身上的贵重物品分类摆放，然后，他们被分为几队进入峡谷。德军用机枪将他们屠杀。仅1941年9月29日和30日两天，就有33771名犹太人惨遭杀戮。

苏西南方面军司令员基尔波诺斯、参谋长图皮科夫、政委布尔米什坚科在突围中牺牲，苏第5集团军司令波塔波夫在战斗中被俘。

战役持续了两个半月以上，在正面300余公里、纵深约600公里的大片领土上进行。苏联红军损失约70万人，有66.5万人被俘，德军击毁或缴获884辆坦克，3718门火炮，3500辆车辆，可谓战果辉煌。德军亦损失10万余人。1941年9月16日前后60多万苏联红军被合围，被包围红军的命运已被注定，对俄国人来说，包围圈的范围难以置信，由于没有摩托化兵力或军事天才的领导，他们不可能突破包围，南方集团军的德国第17军团及第6军团与中央集团军的第2军团在装甲部队的支持下不断缩小包围圈，被包围的苏联红军没有轻易放弃基辅，在一场残酷的战役中苏联红军士兵被德军火炮、坦克及飞机消灭，最后，10日后的1941年9月26日，最后一支苏联红军在基辅以东投降，德军宣称俘获60万名红军士兵，阿道夫·希特勒说这是历史上最大的战役。

这是红军前所未有的大败，超过了在1941年6-7月间在明斯克的灾难，1941年9月1日时，西南方面军有75.2-160万人（85万人包括后备及后方服务部队）、3923门火炮及迫击炮、114辆坦克及167架飞机，被包围的包括45.27万人、2,642门火炮及迫击炮和64辆坦克，10月2日有1.5万人从包围圈突围，西南方面军共付出70万人伤亡，包括约61.6万人在长达一个月的战役中阵亡、被俘或失踪，结果，苏联4个军（第5军、第37军、第26军及第21军）共43个师被消灭，第40军被严重削弱，与之前的西方面军相似，西南方面军需要重建。

分析

基辅战役苏军的失败其实从它打响起就已经注定，缺乏运输工具的基辅地区苏军严重缺乏机动能力，在德国夺取了战场制空权的情况下这种状态更加凸显；而基辅地区特别的地形也为兵器机动占优的德军以少围多创造了有利的条件。而基辅地区庞大的苏军集团也使得斯大林盲目自信，以为德军无力吞下能有效的长期拖住德军的脚步。事实上当政治考量作为优先选项用于决定战场对策时往往会造成惨烈的后果，普法战争的色当战役，卫国战争的基辅战役都是这样的代表。

苏军在此战的失败，使南部战线陷于崩溃。但是，方面军持久而顽强的斗争，对打破德军的“闪击战”计划起了重要作用。德军“中央”集团军群庞大兵力用于突击西南方面军翼侧，使德军在主要方向即莫斯科方向的进攻受到了迟滞。这样，苏联红军统帅部就能在莫斯科方向集中庞大的战略预备队，从而对胜利完成莫斯科会战具有决定性意义。德军在此战的得失正如英国军事理论家利德尔·哈特所言：“就基辅包围战本身而论，实在可以算是一次极大的成功。对德军而言，也可算是一个空前的杰作。从战略方面来说，似乎也有很充分的理由。先使南翼不受到敌人反攻的威胁，然后再来进攻莫斯科。此外，由于苏联红军数量庞大，但却比较缺乏机动性，所以这种战略遂更显得有利。德军可以分别把兵力先后集中在不同的地区之内，而轮流产生几个决定性的战果。但是惟一的弱点就是‘时不我予’，尤其是德军对于冬季作战并无充分的准备。”德军赢得了战争史上最大的歼灭战，却失去了战争史上最大的战争。

基辅会战是第二次世界大战中最大的包围战。对德军而言，从战术上来看无疑是一次成功的杰作，而且获得了富饶的乌克兰和顿涅茨盆地。从战略上来看，似乎也有很充分的理由，先使南翼不受到敌人反攻的威胁，然后再来进攻莫斯科。然而占领乌克兰广袤的平原让德国也付出了不小的代价，而为了维持对乌克兰的控制德国也不得不留下大量的部队维持，这让自攻入苏联境内后一再摊薄的德军能用于莫斯科方面的兵力兵器更加捉襟见肘。当德军向莫斯科挺进时，它所有的东线步兵师战斗部队已经减半了，而且德军对于冬季作战并无充分的准备。

基辅战役后，红军已经没有更多后备力量，为防卫莫斯科，苏联政府调动83个师共80万人，但只有其中25个师是有足够装备，而且缺乏装甲部队及战机，德国方面，他们有70个师共200万人，接近三分之一是机械化的，这是在战争中最高的比例，进攻莫斯科的台风作战在十月二日开始。

由于在基辅的巨大胜利，在南方的巨大阻碍已经清除，南方集团军继续向顿巴斯进攻，在南方战区的目的已完全达到，不过，向莫斯科的进攻被推迟了四个星期，这在之后的莫斯科战役中已被证明，虽然在战术上取得成功，但基辅战役只能小规模增强德国在战略上的优势，因为其主要目的，战争的决定性胜利没有达到。

当红军付出巨大的损失时，他们争取了时间防守莫斯科，为同盟国取得第二次世界大战的胜利作出了贡献。

而且，苏联在这次及其他包围战中得到了教训，在之后的莫斯科战役中，他们避免被德军包围，之后在斯大林格勒战役中，他们更反而包围了入侵者。

1961年6月21日，107,540名苏联退役士兵因防卫基辅而被颁发奖章。