在基輔方向行動的德軍南方集團軍群基本兵力的目的，是突破蘇軍在築壘地域一線的正麵，挺進至基輔地域，奪取第聶伯河的登陸場，然後突擊集團轉向東南進攻，以阻止蘇軍西南方麵軍主力向第聶伯河對岸退卻，並從後方實施突擊將其消滅。蘇軍西南方麵軍有44個業已在戰鬥中嚴重削弱的師與德軍40個師（內有10個坦克師和摩托化師）對峙。德軍步兵、火炮和迫擊炮比蘇軍多一倍多，飛機多50％。
7月5日，德軍開始進攻，在主要突擊方向，德軍在蘇軍完成退卻和在築壘地域一線展開前即已到達。7月7日，德軍以坦克兵團為第一梯隊，突破了蘇軍在新米羅波爾以北的防禦，傍晚奪占了別爾季切夫。次日，又在沃倫斯基新城以南實施突破，7月9日，奪占了日托米爾。7月11日，德軍坦克第一集團軍群先遣部隊在兩晝夜內前進110千米，進抵基輔以西15—20千米的伊爾片河。在此，德軍坦克和摩托化步兵被蘇軍阻於基輔築壘地域的外層。德軍從行進間奪取基輔的企圖被打破。
此時，蘇軍總參謀長朱可夫大將建議斯大林放棄基輔，將西南方麵軍撤到第聶伯河對岸，以避免被德軍合圍，然後全力保衛莫斯科；但被斯大林斷然拒絕，朱可夫被解除總參謀長職務，擔任預備隊方麵軍司令員。
德軍的正麵突擊和隨後的側翼突擊，把蘇軍西南方麵軍割裂成幾個孤立集團。基輔的蘇軍西南方麵軍右翼的第五集團軍，在科羅斯堅築壘地域陣地戰鬥約一個半月，以其行動牽製德軍共約10個師。
該集團軍對直接進攻基輔的德軍集團側翼實施的反突擊，大大改善了守城蘇軍的處境。遵照最高統帥部大本營的指示，集團軍在8月下旬退守基輔以北新的防禦地區。第六、第十二集團軍及第十八集團軍一部共20個師在基輔西南方麵軍左翼進行苦戰。8月3日，德軍以兩翼突擊在烏曼地域合圍了該集團軍。
8月8日，“烏曼口袋”被消除，德軍俘虜了103000名蘇軍，內有第六集團軍司令穆濟琴科中將和第十二集團軍司令波涅傑林少將，德軍繳獲了317輛坦克、858門火炮。戰鬥在這裏延續到8月13日。這些戰鬥的失利，使西南方麵軍和南方麵軍（第六、第十二集團軍自7月25日起改隸南方麵軍，成為其右翼）接合部的情況極端複雜化。在中央防守的是第三十七、第二十六集團軍（前者以基輔築壘地域為基礎組建，後者基本上由在基輔以南行動的各預備兵團組建）。
7月19日至29日，蘇軍第二十六集團軍企圖發動戰役來破壞德軍坦克第一集團軍群的包圍機動，但僅阻住該集團軍群數天，隨後在德軍突擊下亦被迫退卻。蘇軍第三十七集團軍在8月上半月成功地擊退了德軍重兵集團為攻占烏克蘭首都而從西南實施的強大突擊。德軍突至基輔近郊茹利亞內、梅舍洛夫卡。但是，蘇軍實施的反突擊使沿築壘地域外層的戰線在8月15日前幾乎完全恢複。基輔市民及附近居民積極參加戰鬥保衛城市。根據烏克蘭共產黨（布）中央委員會、共和國最高蘇維埃主席團和人民委員會的決定，成立了城防司令部。短期內，有20萬基輔市民誌願參加了蘇軍。
蘇軍的頑強抵抗和多次反突擊，使德軍南方集團軍群左翼的進攻受到長時間的遲滯，迫使德軍統帥部從莫斯科方向調中央集團軍群的一大部分兵力——第二集團軍（司令為魏克斯上將）和坦克第二集團軍群（司令為古德裏安上將）來對付蘇軍西南方麵軍。
德軍的計劃是，坦克第二集團軍群從圖比齊夫斯克以西渡過傑斯納河向南挺進，直插基輔後方的羅姆內；第二集團軍從戈梅利向南運動，掩護坦克第二集團軍群的右翼；坦克第一集團軍群則從第聶伯河河灣上的克列緬丘格向北進攻，與坦克第二集團軍群在羅姆內和洛赫維察地區會合，把第聶伯河西岸的蘇軍切斷在大河曲一帶；第十七集團軍負責把蘇軍牽製在切爾卡瑟以北第聶伯河河灣，同時掩護坦克第一集團軍群的左翼；第六集團軍向東渡過第聶伯河，進入基輔，並開始圍殲這批蘇軍重兵集團。
7月21日，德軍統帥部下令加強蘇德戰場南北兩翼的攻勢，並從北、南兩麵沿第聶伯河東岸對蘇軍進行深遠迂回。8月8日，德軍坦克第二集團軍群和第二集團軍開始向斯塔羅杜布、科諾托普方向和戈梅利、切爾尼戈夫方向發起進攻。此時，蘇軍識破了德軍企圖，於8月19日命令將西南方麵軍各集團軍撤至第聶伯河對岸，沿東岸組織防禦。在西岸，蘇軍僅堅守基輔地域的陣地。為了掩護西南方麵軍右翼，由其他地段撤下來的兵團重新組建的第四十集團軍，在科諾托普以北沿傑斯納河展開。蘇軍最高統帥部責成布良斯克方麵軍防止德軍從北麵突向西南方麵軍後方。但該方麵軍未能完成所受領的任務和阻止德軍的側翼運動。9月初，德軍進抵傑斯納河，並進行了強渡。9月10日，德軍坦克第二集團軍群先遣部隊在蘇軍西南方麵軍後方奪取了羅姆內市。