乌克兰首都基辅位于杰斯纳河与第聂伯河的交汇处。第聂伯河由北向南弯曲注入黑海，与其上游的支流杰斯纳河构成了一个大S形。德军计划目标是夺取基辅，并在一巨大的舌形地区中，将布琼尼元帅的苏西南集团军群围歼。这一个舌形地区北起杰斯纳河北岸的图比齐夫斯克，南达第聂伯河河湾的克里门巧格，西以基辅为顶点。
在德军横扫欧洲之时，斯大林看到如此强大的德国必然会威胁到苏联的国家安全，便开始着手采取防范德国的系列措施：将苏联的重工业和军工工业有计划地迁移到乌拉尔山（Урал）以东；对德国和
谈，避免刺激德国；稳住东方的日本，和日本签署中立条约；建立“东方战线”，增加战略纵深等等。
在苏联的系列准备措施中，建立东方战线是最具争议的，在建立东方战线的进程中，苏联根据苏德互不侵犯条约中的秘密条款占领了约60万平方公里的土地，将芬兰、罗马尼亚等国迅速地推向自己的对立面，还遭受到世界各国的普遍谴责。且事实上东方战线在战争中起到的作用也极其有限。
德国方面，西线战事的顺利进行，只有英国凭借海洋的优势在拼死抵抗，让希特勒感到有机会腾出手来对付东边的大国苏联了，而德国的情报机构对苏联的错误判断，也让希特勒认为苏联是非常容易对付的国家。
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**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，他们被分为几队进行。