这是二战史上最大的一场围歼战，在二毛的首都基辅，德军装甲师势如破竹，围困超过五十万苏联军队，最终彻底摧毁苏联西南方面军，乌克兰也就此落入德军手中。在这场战役中，苏联西南方面军司令员曾连续数周请求斯大林允许撤退，但均遭遇拒绝，当德军切断苏军后撤路线之时，一切命令已然变得毫无意义。
1941年在德国入侵苏联不到两个月的时间里，德军装甲已经深入苏联领土。为了保障快速推进的中央集团军的两侧安全，希特勒下令中央集团军协助北方集团进攻列宁格勒，同时帮助南方集团军占领乌克兰中部，德军浩浩荡荡向乌克兰首都基辅进军。
7月初，德军南方集团军展开了对乌克兰的全面入侵，伴随着中央集团军的抵达，他们的兵力迅速壮大，共有25个步兵师和9个装甲师，总计54.4万人。他们的对手是苏联的南方面军和西南方面军，指挥官是新上任的谢苗·铁木辛哥元帅。在乌曼镇，他们围歼了一支苏联南方部队，造成超过二十万苏军伤亡。这支部队被消灭后，防御乌克兰的任务几乎全部落在了苏联西南方面军肩上，该集团由米哈伊尔·基尔波诺斯将军指挥，总兵力为62.7万人。
为了抵御德军锋芒，基尔波诺斯的部队向后撤退并在第聂伯河沿岸建立了一条坚固的防线，抵御来自西部和南部的德军攻击。八月底，中央集团军群的部队越过第聂伯河，开始从北部包围基辅。苏军利用基辅北部的沼泽为天然屏障，进行着顽强的防御战，然而基尔波诺斯很快意识到德军想要的不是正面冲锋，而是一场史无前例的围歼战。为此，他向苏联高层请求撤退许可，但约瑟夫·斯大林亲自否决了这一请求，并命令基尔波诺斯不惜一切代价坚守基辅。基尔波诺斯不敢违抗命令，只能命令他的部队挖战壕，准备誓死保卫这座城市，即使德军的包围圈正在一步步缩紧。
在古德里安的指挥下，德军中央集团军群绕过苏军布下的坚固防线，向南稳步推进包围攻势。基尔波诺斯意识到这一点，他认为德军的先锋部队在组建包围网时过于冒进，这会是敌军最薄弱的点。为此，他命令叶廖缅科中将指挥下的布良斯克方面军持续骚扰古德里安的装甲集群，延缓其推进包围圈的速度并最终进行一次成功的反包围。然而，基尔波诺斯的这一目标几乎无法实现，因为布良斯克方面军仅仅在一个月的游击战中，虽然成功延缓了古德里安装甲军的进攻，但却损失惨重，许多士兵出发之后便杳无音讯。
当德军南方集团军的第一装甲集团军于9月12日秘密越过第聂伯河，并迅速向北推进，完成同中央集团军群的汇合之时，基尔波诺斯的反包围希望彻底破灭，此时的基辅即将被完全包围，苏联参谋部为此只能向斯大林报告战争进展，祈祷他能看清基辅战役的失败已然无可避免。
果不其然，短短几天后，古德里安的第二装甲集团军在基辅以东约120英里的拉克里兹镇与第一装甲集团军会合。包围圈已经彻底完成，四个苏联军队现在被困在包围圈内。德军指挥官们惊讶于他们的军队能成功的如此迅速，也惊讶于苏军一反常态的冷反应，他们明知道德军即将包围基辅的苏军，竟然不拼死阻止包围或撤退，而是静静等着这一包围圈的形成。具有讽刺意味的是，被包围的苏军第二天收到了元帅沙波什尼科夫发来的电报，这一次，他们终于获得批准撤离基辅，然而一切都无济于事，被包围的苏军只能选择一寸山河一寸血，让德军为每一寸土地付出代价。
9月18日，德军轰炸机盘旋在基辅上空，他们宣称要将这座城市化为瓦砾和灰烬，在整个战斗期间，这些轰炸机投下了超过1200万磅的炸弹。同时，德军地面部队从各个方向有计划地推进，逐步踏碎任何顽强的抵抗。在东线防御最薄弱的地方，苏军曾多次试图突围，但均遭遇失败。随着通讯线路的中断，被包围在圈内的苏军完全被混乱与恐惧所淹没，这场战斗很快变成了一场单方面的屠戮。9月19日，德意志第三帝国的纳粹军旗缓缓上升在基辅市中心的上空，标志着基辅已经陷入德军的掌控之中。进入基辅五天后，数百枚苏军藏匿的炸弹被引爆，造成200名德军士兵和军官死亡，整个城市陷入一片灰烬之中。
与此同时，基辅东部的战斗仍在继续，苏联西南方面军的残余部队被分割成几个独立的区块，继续顽强抵抗，尽管他们的军官可能早已阵亡，他们的编队已经被打散。基尔波诺斯将军在德军逼近时被迫撤离到指挥部，并带领一小队士兵进行死亡突围，这位英勇的将军和他那支疲惫的护卫队在拉克里兹九英里处与德军遭遇，他们与敌人殊死搏斗直到全军覆没。相比之下，其他大部分指挥官则幸运得多，他们试图与整个指挥部一起逃脱，这群人包括布琼尼元帅和铁木辛哥，甚至这里面还有一个硬角色，就是当年在乌克兰担任政委的赫鲁晓夫，他们最终被迫选择在15000名苏军的掩护下逃脱，而整个西南方面军，等待他们的将是覆灭。
九月底，经过十天的激烈战斗，随着最后一支被包围的苏军投降，基辅战役以德军的完胜宣告结束。再这场战役中，苏联军队总共损失了超过70万人，四个完整编制的军队被彻底摧毁。在接下来的几周里，纳粹军官在乌克兰开始大规模屠戮俘虏和平民，并让他们成为牛马一般的奴隶。为了报复苏军19日发动的爆炸袭击，德军在基辅郊外的一所峡谷集中超过3.3万名犹太人，他们被分批次进行开枪处决，这就是巴比亚尔峡谷大屠杀。
基辅战役对于苏联而言，是一场彻头彻尾的、毁灭性的失败，在这之后整个乌克兰开始落入德军手中。对于德军而言，他们可以充分享受短暂的胜利狂欢，然而，战争机器也至此开始出现裂痕，由于苏军在撤退之前将铁路和工厂车间悉数炸毁，德军不仅坦克在苏德战场上缺乏系统维修手段，随着战线向东推进，其补给线供应能力也面临越来越大的压力。尽管基辅的攻势取得了成功，但倘若苏军一直保持这种战术，德军将不可避免重蹈当年拿破仑所经历的覆辙。事实证明确实如此，伴随着雨季和冬季的到来，泥泞和寒冷极大削弱了德军闪电战的攻势，他们是经不起消耗战的。
