7 月 16 日，德军中央集团军群在北线攻占斯摩棱斯克，距离莫斯科仅剩约 300 公里。此时，希特勒与德军陆军总司令部产生战略分歧：陆军总部主张乘胜直取莫斯科，而希特勒则认为应先彻底解决南方的苏军，夺取乌克兰的粮食与顿巴斯的煤炭资源。
最终，希特勒的意见占了上风，他命令中央集团军群所属的古德里安上将率领第 2 装甲集群（下辖第 3、第 4 装甲军）南下，与南方集团军群的第 1 装甲集群南北对进，形成一个更大范围的合围圈，企图将基辅周边的苏军全部包围。
这一决策虽在战术上有利于歼灭更多苏军，但却极大地延误了德军对莫斯科的进攻节奏，为后续战局埋下隐患。
9 月初，古德里安的第 2 装甲集群突破苏军第 5 集团军的防线，向南急进，于 9 月 10 日攻占罗姆内，并继续向洛赫维察推进；
与此同时，克莱斯特的第 1 装甲集群从第聂伯河下游北上，于 9 月 13 日攻占卢布内，随后向科诺托普方向进攻。两支装甲劲旅如两把铁钳，迅速向基辅后方的苏军侧背合拢。
此时，苏军最高统帅部已察觉德军的合围企图，斯大林一度命令布琼尼组织突围，但布琼尼判断防线仍可坚守，加上通讯系统在德军空袭下频繁中断，突围命令未能有效传达。
直到 9 月 14 日，苏军才正式下令西南方面军向第聂伯河左岸（东岸）撤退，但此时德军装甲部队已逼近合围圈的闭合点 —— 洛赫维察。
1941 年 9 月 16 日，决定性的时刻到来：古德里安的先头部队与克莱斯特的装甲部队在洛赫维察胜利会师，彻底封闭了基辅以东约 200 公里宽的合围圈，将苏军第 5、第 21、第 26、第 38 集团军以及部分独立部队共约 60 万人完全包围在基辅、科诺托普、切尔卡瑟之间的狭小地域内。
被围苏军陷入绝境：空中遭到德军第 4 航空队的持续轰炸，地面被德军装甲部队分割包围，后勤补给完全中断，部队指挥系统陷入瘫痪。
尽管苏军官兵进行了顽强抵抗，多次组织突围尝试 —— 尤其是第 5 集团军在北部的突围行动一度给德军造成压力，但均因缺乏统一指挥和空中支援而失败。
德军随即展开围歼作战。第 2 集团军和第 6 集团军从东、西、北三个方向向合围圈内推进，以步兵师巩固包围圈，以装甲部队实施分割歼灭。
至 9 月 20 日，基辅市区被德军第 6 集团军攻占，苏军残部退守城内街巷继续抵抗，但终因寡不敌众于 9 月 26 日被完全肃清。整个战役期间，苏军约 65 万人被俘，其中包括西南方面军司令基尔波诺斯上将、军事委员会委员赫鲁晓夫（侥幸突围）等高级将领，另有约 10 万人战死或失踪，仅约 2 万人在布琼尼的命令下向东南方向突围成功。
德军则付出了约 10 万人的伤亡代价，但缴获了苏军遗弃的 3718 门火炮、884 辆坦克以及大量军用物资。