蘇軍的反攻阻滯了德軍的進攻，支援了第20、第16集團軍的突圍，但未能取得決定性勝利。原因是各集群剛剛組建，兵力又不大，多數為3個師；各集群投入戰鬥的時間不一致，削弱了突擊力；炮兵數量不足，每公裏進攻正麵上的火炮、迫擊炮平均密度不過4－6門；方麵軍擁有的航空兵極少，總共隻有186架轟炸機和102架殲擊機。
為了便於軍隊指揮，蘇聯最高統帥部於7月24日以西方方麵軍左翼第13、第21集團軍和預備隊第3集團軍組成中央方麵軍，司令員庫茲涅佐夫，在戈梅利方向擔任防禦；7月30日，以第24、第31、第32、第33、第34、第43、第49集團軍組成預備隊方麵軍，司令員由朱可夫擔任。其總參謀長職務由沙波什尼科夫接任。
7月底至8月初，希特勒與陸軍總部和中央集團軍群的將領，對下一步作戰行動產生了分歧。8月4日，希特勒在鮑裏索夫中央集團軍群司令部召開會議。會上博克和坦克第2集群司令古德裏安等主張向莫斯科進攻，不應抽調坦克集群增援北方和南方。希特勒則認為，列寧格勒是主要目標，對莫斯科和烏克蘭二者之間他傾向於後者，理由是南方集團軍群已打下了勝利基礎，烏克蘭的原料和農產品對德國而後作戰非常需要，而克裏木作為蘇聯襲擊羅馬尼亞油田的“航空母艦”必須奪取。
8月6日，德軍坦克第2集群和第2集團軍轉而向南，向戈梅利方向進攻，兩路德軍包圍了蘇軍中央方麵軍，蘇軍為掩護布良斯克方向，於8月16日在預備隊方麵軍和中央方麵軍之間，以第13、第50集團軍組成布良斯克方麵軍。為打破德軍對西南方麵軍後方的攻勢，西方方麵軍4個集團軍和預備方麵軍2個集團軍，於8月16日向杜霍夫希納和葉利尼亞展開進攻。這次進攻雖給德軍造成了傷亡，但未獲成功。
8月18日，德陸軍總司令布勞希奇和陸軍總參謀長哈爾德向希特勒送交備忘錄，要求他支持攻打莫斯科的意見，不要把坦克第2、第3集群調往其他方向。3天以後希特勒拒絕了他們的意見，仍命令坦克第2集群繼續向南進攻，進入蘇軍基輔集團的後方。
至8月21日，德軍推進了120至140公裏，進抵斯塔羅杜布、戈梅利一線，突入蘇軍布良斯克方麵軍和中央方麵軍之間，對西南方麵軍的側翼和後方造成威脅。中央方麵軍左翼和西南方麵軍右翼軍隊撤至第聶伯河對岸。
8月24日，被圍的中央方麵軍大部被殲。25日，蘇軍最高統帥部撤銷中央方麵軍，將第3、第21集團軍編入布良斯克方麵軍。8月下旬至9月初，布良斯克方麵軍對德軍坦克第2集群的側翼實施了突擊。
為配合這次突擊，蘇軍最高統帥部組織實施了一次空中戰役。參加這一戰役的有布良斯克方麵軍和預備方麵軍的航空兵、預備隊第1機群和遠程轟炸航空兵的飛機共460架。8月29日至9月4日，蘇軍共出動飛機4000餘架次。但布良斯克方麵軍第3、第13集團軍因在前幾次戰鬥中損失很大，未能充分利用航空兵的突擊效果，阻止德軍向南進攻。
9月上旬，德軍坦克第2集群強渡傑斯納河，前出至科諾托普、切爾尼哥一線。
8月30日至9月8日，蘇軍預備隊方麵軍第24集團軍及其加強部隊共10個師，實施了葉利尼亞進攻戰役，向葉利尼亞突出部的德軍坦克第2集群進攻。9月8日，蘇軍收複葉利尼亞，掃清了這一地區的德軍集團，在追擊中向西前推進了25公裏。
9月上旬，西方方麵軍4個集團軍在斯摩棱斯克附近的進攻未獲成功，奮戰9天僅前進了幾公裏。至9月10日，斯摩棱斯克交戰結束，雙方暫時轉入防禦。
斯摩棱斯克交戰，在蘇軍1941年夏秋戰局中占有重要地位。這次交戰在近650公裏正麵和250公裏的縱深內展開，蘇軍實施了攻防戰役，雙方互有勝負。蘇軍因兵力不足，沒有足夠的武器裝備，指揮人員缺乏組織機動作戰的能力，因此未能阻止德軍的攻勢，德軍仍向前推進了200公裏。
據德國統帥部供認，在斯摩棱斯克戰役中，德軍損失25萬人。這次交戰牽製德軍達60天之久，使蘇軍贏得了寶貴的時間，為調整戰略、整頓軍隊、搬遷工廠設備以及部署對莫斯科的防禦，都起到了十分重要的作用。
1941年7月中旬以前，蘇聯西南方向的蘇軍在邊境地域的戰鬥中受到很大損失。西南方麵軍和南方麵軍的86個師在激烈的戰鬥中被嚴重削弱。蘇軍的防禦意圖是，在戰略防禦中，把防禦戰與進攻戰結合起來，消耗德軍突擊集團，阻止德軍向南突進。西南方麵軍在日托米爾、別爾季切夫和普羅斯庫羅夫一線進行防禦。南方麵軍在卡緬涅茨－波多利斯基到莫吉廖夫－波多利斯基的德涅斯特河左岸，向南到列奧沃，沿普魯特河左岸一線進行防禦。
當麵德軍南方集團軍群司令龍德施泰德元帥，在進攻中陸續增加兵力。到7月中旬共有63個師又16個旅，其中德軍45個師，羅馬尼亞16個師又10個旅，斯洛伐克2個師又1個旅，匈牙利5個旅。7月下旬，又從預備隊調來8個德軍步兵師和1個意大利軍（3個師）編入該集團軍群。