1941年7月德軍在巴巴洛薩行動開始後，在北部及中部戰線獲得了巨大的成功，只是在南方留下一個巨大的突出部，在這裏有一支龐大的紅軍，包括幾乎整個西南方面軍，在烏曼戰役中雖然取得很重大的勝利，但大部份紅軍在謝苗·布瓊尼的指揮下仍然留在基輔一帶，由於大部份裝甲力量已在烏曼戰役中被消滅，他們因此缺乏裝甲及機動力量，他們不可能再威脅德軍的進攻及在當時是紅軍在東線的最大一支部隊。
1941年8月底，德軍最高統帥部面臨抉擇，向莫斯科繼續進攻或消滅南面的蘇聯紅軍，由於南方集團軍沒有足夠力量包圍及消滅敵軍，中央集團軍需要提供支持以完成任務，經過爭論後，德軍最高統帥部決定在基輔重兵合圍蘇軍西南方面軍。
1941年7月11日，德軍坦克第1集羣先遣部隊在兩晝夜內前進110公里，進抵基輔以西15—20公里的伊爾片河。此時，蘇聯紅軍總參謀長朱可夫大將建議斯大林放棄基輔，將西南方面軍撤到第聶伯河對岸，以避免被德軍合圍，然後全力保衛莫斯科。但被斯大林斷然拒絕，朱可夫被解除總參謀長職務，擔任預備隊方面軍司令員。
1941年7月21日古德里安的第2裝甲兵團軍從圖比齊夫斯克以西渡過傑斯納河向南挺進，直插基輔後方的羅姆尼;中央集團軍羣的第2集團軍從戈梅爾向南運動，掩護古德里安的右翼。克萊斯特的第1裝甲兵團則從第聶伯河河灣上的克里門巧格向北進攻，與古德里安在羅姆尼附近會合;南方集團軍羣的第17集團軍則負責把蘇軍牽制在切爾卡賽以北第聶伯河河灣，同時掩護克萊斯特的左翼。與此同時，南方集團軍羣的第6集團軍向東運動，渡過第聶伯河，進攻基輔。德軍深遠的正面突擊和隨後的翼側突擊，把方面軍割裂成幾個孤立集團。1941年8月3日，德軍以兩翼突擊在烏曼地域合圍了蘇軍第6、第12集團軍及第18集團軍一部共20個師。1941年8月8日，“烏曼口袋”被消除，德軍俘虜了103000名蘇聯紅軍，內有第6集團軍司令穆濟琴科中將和第12集團軍司令波涅傑林少將，德軍繳獲317輛坦克、858門火炮。戰鬥行動在這裏延續到1941年8月13日。這些行動的失利，使西南方面軍和南方面軍(第6、第12集團軍自1941年7月25日起改隸南方面軍，成爲其右翼)接合部的情況極端複雜化。
1941年8月8日，德軍坦克第2集羣和第2集團軍開始向斯塔羅杜布、科諾託普方向和戈梅利、切爾尼戈夫方向發展進攻。並於1941年9月10日，在西南方面軍後方奪取了羅姆內市。
與此幾乎同時的1941年9月11日，蘇聯紅軍西南方向總司令蘇聯元帥布瓊尼察覺到處境危險，向斯大林請求東撤，同樣遭到斯大林拒絕，斯大林命令死守基輔。13日，斯大林認爲布瓊尼消極避戰，將其免職，由西方向總司令和西方方面軍司令員蘇聯元帥鐵木辛哥接替他的指揮。
在蘇聯紅軍西南方面軍南翼，德軍於1941年8月30日晚強渡了第聶伯河。1941年9月12日，坦克第1集羣從該登陸場向盧布內總方向發起進攻。蘇聯紅軍此時面臨被合圍的危險，蘇聯紅軍西南方面軍司令員基爾波諾斯上將爲保存蘇聯紅軍有生力量，不顧被送上軍事法庭的危險，自行下令部隊全線後撤，但這一命令卻很快被蘇聯紅軍最高統帥部給撤銷了，蘇聯紅軍最高統帥反而要求西南方面軍要實施更加積極的戰術，對德軍發起反攻。至此蘇聯紅軍錯過了最後時機。1941年9月16日，由於布良斯克方面軍的葉廖緬科未能實現他向斯大林作出的“粉碎古德里安”的保證，古德里安與克萊斯特的裝甲集羣在洛赫維察會師，西南方面軍被德軍合圍。於是，西南方面軍4個集團軍，即第21(1941年9月6日由布良斯克方面軍轉隸西南方面軍)、第5、第37、第26集團軍，陷入了合圍。
1941年9月16日，戰爭史上最大的圍殲戰開始了。
自9月16日起，德軍以第2集團軍和第6集團軍爲主，對被圍之蘇軍第5、第21、第38、第26等5個集團軍發起圍殲作戰。困守在袋形陣地的蘇軍拼死抵抗，陣地上高音喇叭發出的斯大林那激動人心的講話，傳遍了整個戰場。蘇軍在無燃料又無彈藥的情況下，端起刺刀整營整營地向德軍的坦克、大炮和機槍發起多次勇猛攻勢，企圖突破包圍向東撤退。然而血肉之軀終究不敵鋼鐵，蘇軍在德軍坦克的炮擊、掃射和碾壓下，成千成萬地死傷，除少數部隊得以逃脫外，其主力仍處於圍困中。1941年9月20日，基輔城被德國第6集團軍攻佔。同日，德軍第46裝甲軍趕到，並作爲生力軍投入戰鬥。與此同時，蘇軍也不斷地投入生力軍，企圖協助被困蘇軍突圍，但均被德軍擊退。
西南方面軍的部隊迅速被德軍分割包圍，陷入了一片混亂。1941年9月17日，斯大林讓蘇聯紅軍總參謀長蘇聯元帥沙波什尼科夫下令同意西南方面軍突圍，但爲時已晚。1941年9月19日，基輔陷落。至1941年9月26日，基輔會戰結束，蘇軍第5、第21、第37、第26集團軍大部，第40、第38集團軍之一部被殲滅，65萬人被俘。蘇西南方面軍司令員基爾波諾斯、參謀長圖皮科夫、政委布爾米什堅科在突圍中犧牲，蘇第5集團軍司令波塔波夫在戰鬥中被俘。
戰役中幾乎整個蘇聯紅軍的西南方面軍被德軍包圍，共有665，000名紅軍被俘虜，德軍在基輔的包圍圈未被嚴密封鎖，小股紅軍在德軍緊閉包圍圈後突破包圍逃脫，包括謝苗·布瓊尼元帥、謝苗·康斯坦丁諾維奇·鐵木辛哥元帥及政治委員赫魯曉夫。這是紅軍前所未有的大敗，超過了在1941年6-7月間在明斯克的災難，1941年9月1日時，西南方面軍有752-760，000人(850，000人包括後備及後方服務部隊)、3，923門火炮及迫擊炮、114輛坦克及167架飛機，被包圍的包括452，700人、2，642門火炮及迫擊炮和64輛坦克，10月2日有15，000人從包圍圈突圍，西南方面軍共付出700，544人傷亡，包括616，304人在長達一個月的戰役中陣亡、被俘或失蹤，結果，蘇聯4個軍(第5軍、第37軍、第26軍及第21軍)共43個師被消滅。相反的在前線德軍用近乎完美的表現向德軍最高統帥部交出一份完美的答卷。
