基辅是苏联的第三大城市，战略地位非常重要，其处在第哥伯河跟杰斯纳河交汇处，陆路、水路以及航空四通八达，既是苏联西南地区的交通要塞，也是德军夺取顿涅茨工业区跟高加索油田的必经之路。1941年7月，德军南方集团军群以45个师和1个旅的兵力（另有匈牙利的3个旅和意大利的3个师陆续加入战斗），在第4航空队的支援下，从行进间突入苏联旧国界筑垒地域，揭开了为期两个半月的基辅战役的序幕。
根据该集团军群总司令龙德施泰特元帅6月30日的第2号指令，其所属部队应乘苏军立足未稳，从行进间突破苏军从沃伦斯基新城至德涅斯特河一线的筑垒地域，继而将苏军西南方面军左翼围歼于文尼察周围。为此，该集团军群以第1装甲集群和第6集团军为主要突击集团，从斯卢奇河中游以西地区向日托米尔、别尔季切夫一线旧国界筑垒地域实施突破，接着看苏军西南方面军是否撤过第聂伯河，第1装甲集群主力或继续东进，或挥师南下。
第17集团军配属斯洛伐克派遣军，担任辅助突击，从兹布鲁奇河一线向普罗斯库罗夫、文尼察方向推进，以不间断的进攻钳制当面苏军的重兵集团；第11集团军配属罗马尼亚派遣军，担任侧后突击，从普鲁特河附近向东北方向莫吉廖夫一波多利斯基地域攻击前进，继而强渡德涅斯特河，前出文尼察地域，同第17集团军会合。
德军的当面之敌是苏西南方面军，由米·彼·基尔波诺斯上将统率，辖第5、第6、第26和第12集团军共44个师。
根据双方的主要作战行动，此役分为旧国界筑垒地域之战（7月5日至9日）、乌曼战役与基辅外围作战（7月9日至8月中旬）和基辅地域合围战（8月下旬至9月26日）3个阶段。
基辅战役异常激烈，从战役一开始，德军便利用优势兵力猛打猛冲，苏军尽管处于劣势，却仍旧异常勇猛，进行顽强阻击。最后德军南方集团军群根据希特勒的第35号指令，于9月12日以第1装甲集群主力和第17集团军一部在第4航空队支援下，从第聂伯河左岸克列缅丘格附近登陆，经卢布内向西北方向推进，以便跟第2装甲集群的南下部队尽快会合。
15日，南北对进的德军第1和第2装甲集群在洛赫维察地域会合，完成了对苏军西南方面军第21、第5、第37和第26集团军的合围，被分割成零星小股的苏军官兵继续英勇奋战。19日，苏军第37集团军奉命放弃基辅，德军第6集团军占领了乌克兰首都基辅。20日，苏军西南方面军司令米·彼·基尔波诺斯上将、军事委员会委员和参谋长等高级将领在突围中阵亡。26日，历时两个半月以上的基辅战役宣告结束。
基辅战役是1941年7月至9月苏德战场上的三大战役之一。苏军西南方面军及其友邻部队在正面300余公里、纵深约600公里的广大地区英勇奋战，以翼侧突击和正面防御相配合，迟滞德军进攻达两个半月之久，吸引德军中央集团军群南翼的突击力量南下，为苏军加强莫斯科方向的防御赢得了时间。
但是，因为苏军兵力相对薄弱，缺少抗击德军装甲摩托化部队的经验跟手段，采取消极守城的作战方针，最终出现了损兵失地的重大失利。德军在进攻初期，兵力分散，未能将苏军重兵集团歼灭在第聂伯河以西，此后利用三面包围苏军西南方面军的有利态势，集中2个集团军群的内翼兵力协同作战，迅速围歼该方面军主力，减少了中央集团军群的南翼威胁，为南方集团军群夺取哈尔科夫与顿涅茨经济区，前出克里木和高加索创造了条件，但却因此失去了进攻莫斯科的有利时机。