德軍的進攻企圖是：突破蘇軍舊築壘地域，攻占烏克蘭首府基輔，奪取第聶伯河東岸登陸場；同時以突擊集團向東南進攻，進行深遠的迂回機動，在第聶伯河西岸圍殲蘇軍。
德軍以坦克第1集群、第6和第17集團軍在基輔方向對西南方麵軍實施突擊。德軍第11集團軍、羅馬尼亞第3集團軍、匈牙利軍、斯洛伐克軍以及後來的意大利軍，在卡緬涅茨至波多利斯基以南，彼爾沃邁斯克方向對南方麵軍實施進攻。
蘇軍西南方麵軍共44個師，在布良斯克方麵軍和南方麵軍右翼軍隊配合下，進行了基輔防禦戰。
7月7日，德軍突破蘇軍防禦，很快攻占了別爾季切夫和日托米爾。11日，德軍坦克第1集群先遣部隊在2晝夜內前進了110公裏，進到伊爾片河，被阻止在基輔以西15至20公裏的築壘地域。德軍未能從行進間攻占基輔，遂增調第6集團軍向基輔進攻，坦克第1集群從別爾季切夫向東南運動，企圖從側翼包圍蘇軍第6、第12集團軍。德軍的正麵和側翼突擊，將西南方麵軍割裂成幾個集團。
在方麵軍右翼，蘇軍第5集團軍在基輔西北築壘地域進行防禦，該集團軍於7月10日以3個機械化軍和1個步兵師，對德軍第6集團軍和坦克第1集群的側翼實施反突擊，改善了基輔蘇軍的處境，牽製了德軍約10個師。
在方麵軍中央方向，蘇軍基輔築壘地域軍隊和第26集團軍，於7月中旬阻止了德軍第6集團軍的進攻。7月底，德軍第6集團軍突擊集團5個師，在炮兵和航空兵的支援下，重新對基輔發動進攻。蘇軍以築壘地域軍隊和預備隊組成第37集團軍，加強築壘地域的防禦。基輔市、州黨組織向軍隊輸送了3萬名黨員。基輔居民也參加了基輔保衛戰，短期內有20萬人參加軍隊，3.5萬民兵與正規軍並肩作戰。
在方麵軍左翼，蘇軍第6、第12集團軍於7月中旬在基輔西南進行苦戰。7月25日，蘇軍最高統帥部將這兩個集團軍調給南方麵軍，作為該方麵軍的右翼。8月2日，德軍坦克第1集群前出至彼爾沃邁斯克，第17集團軍突入烏曼以南地區，兩路德軍在烏曼地域包圍了蘇軍第6、第12集團軍及第18集團軍一部，戰鬥持續到8月7日，被圍蘇軍遭到重大損失，第6、第12集團軍司令員穆茲琴科和波涅德林被俘。
就在基輔戰局逞膠著狀態之時，希特勒不顧陸軍和總參謀部的反對，決定以中央集團軍群的機動部隊由斯摩棱斯克向南，對西南方麵軍的側翼和後方實施突擊。自8月8日，德軍中央集團軍群坦克第2集群和第2集團軍共25個師，由北向南開始向斯塔羅杜布、科諾托普和戈梅利方向進攻。
由於西南方麵軍南北兩翼有被德軍迂回的危險，蘇軍最高統帥部於8月19日下令，西南方麵軍撤至第聶伯河東岸組織防禦，守衛第聶伯河從絡耶夫到河口一線，在右岸仍堅守基輔和第聶伯羅彼得羅夫斯克。為掩護西南方麵軍右翼，蘇軍最高統帥部從基輔地域的第37集團軍和第26集團軍抽出部分兵力編成第40集團軍，在科諾托普以北沿傑斯納河展開正麵防禦。以布良斯克方麵軍防禦德軍從北突向西南方麵軍的後方。
9月初，德軍南進至傑斯納河。此時德軍第6集團軍也向基輔以北突擊，強渡傑斯納河，對基輔的蘇軍造成威脅。9月8、9日，德軍坦克第2集群繼續南進，向盧布內總方向進攻，第2集團軍向切爾尼哥夫方向南進，掩護坦克第2集群的右翼。9月10日，德軍在西南方麵軍後方的進攻獲得成功，奪占了羅姆內市。西南方麵軍第5集團軍和第21集團軍向基輔以東退卻。
在西南方向，至8月底蘇軍已失去第聶伯河右岸第聶伯羅彼得羅夫斯克等三個立足點。9月上旬，德軍南方集團軍群坦克第1集群在西南方麵軍左翼展開進攻，突破蘇軍第38集團軍的防禦，強渡第聶伯河，並在克列緬丘格奪取了登陸場。
9月11日，西南方麵軍總司令布瓊尼向最高統帥部建議，將西南方麵軍從第聶伯河撤退到後方樸肖爾河。最高統帥部指示在建立樸肖爾河防線和組成對敵突擊集團後，才可以從基輔撤退。但此時西南方麵軍既無兵力也無時間組織後方防線。
9月12日，德軍從克列緬丘格登陸場繼續進攻，第17集團軍向東北和向東哈爾科夫突進；坦克第1集群北進，向盧布內總方向進攻。15日，南北對進的德軍坦克第2、第1集群在基輔以東洛赫維察會師，西南方麵軍第5、第37、第26、第21集團軍陷入合圍。
19日，蘇軍放棄基輔。西南方麵軍在被圍中繼續戰鬥，成小群東向突圍。20日，方麵軍司令員基爾波諾斯、軍事委員會委員布爾米堅斯科和參謀長圖皮科夫在突圍中陣亡。27日，由鐵木辛哥元帥接替指揮西南方麵軍。以4個集團軍在別洛小波利耶、希沙基、克拉斯諾格勒一線組織防禦。
蘇軍在基輔防禦戰嚴重失利，德軍占領烏克蘭首府基輔，渡過第聶伯河，前出到哈爾科夫工業區、頓巴斯和克裏木的各接近地域，西南門戶洞開。莫斯科也受到嚴重威脅。這次戰役蘇軍損失嚴重，被俘人員達65.5萬人。
與蘇聯西南方麵進攻的同時，在北方，德軍北方集團軍群，也取得了重大突破。致使蘇聯北方重鎮列寧格勒麵臨淪陷的危機。那麼，這是怎麼回事呢？