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。
基辅战役创造了战争史上规模最大的单一包围战纪录，成为德军 “闪电战” 战术的巅峰之作。
对德军而言，此战不仅歼灭了苏军大量有生力量，夺取了乌克兰的粮仓，还为后续进攻顿巴斯工业区扫清了障碍。然而，这场胜利也带来了严重的战略后果：由于将中央集团军群的装甲主力调往南方，德军对莫斯科的 “台风行动” 被迫推迟近一个月，错过了东欧最佳的作战季节。
当德军最终在 10 月进攻莫斯科时，秋雨泥泞和早到的寒冬极大地削弱了德军的机动能力与后勤补给，为莫斯科保卫战的失败埋下了伏笔。
对苏联而言，基辅的惨败是战争初期最沉重的打击之一，西南方面军的覆灭使苏联在西南方向的防线出现巨大缺口，德军得以长驱直入乌克兰腹地。
但另一方面，苏军在基辅的坚守客观上为莫斯科方向的防御争取了宝贵时间 —— 从 7 月到 9 月，苏联利用这段时间紧急动员后备力量，在莫斯科周边构筑了三道防线，并从远东调回部分精锐部队。
此外，这场战役也让斯大林及苏军高层深刻认识到 “闪电战” 的威胁，促使其在后续作战中调整战略，采取更灵活的防御与反击策略。
但是从长远来看，基辅战役暴露了德军战略资源的局限性 —— 尽管其在战术上无懈可击，但分兵多路的战略部署使其难以在单一方向形成决定性优势，尤其是在面对苏联这样幅员辽阔、战争潜力巨大的对手时，兵力分散的弊端逐渐显现。
而对苏联来说，这场战役成为其从失败中汲取教训的转折点，此后苏军逐步适应了德军的战术，开始在防御中消耗敌人，并为最终的战略反攻积累经验。
而且基辅战役结束时，苏联西部工业区已暴露在德军兵锋之下。此前为应对战争威胁，苏联启动了大规模工业东迁计划，众多兵工厂如哈尔科夫拖拉机厂、第聂伯河沿岸的火炮工厂等，正顶着德军空袭与运输压力向乌拉尔、西伯利亚等地转移。
但搬迁过程远非一帆风顺：设备拆卸、铁路运输与重建耗时漫长，许多工厂虽完成地理迁移，却因生产线重组、技术工人流失及原料供应链断裂，迟迟无法恢复生产。
基辅周边的很多轻武器工厂，搬迁至新西伯利亚后，直到1942年初仍在调试设备，原本计划月产万支步枪的生产线，实际产能不足千支。
这种“迁移未达产”的困境，使苏联在1941年秋冬面临武器荒——前线急需的反坦克炮、冲锋枪等装备供应锐减，而新迁工厂的产能缺口，直到莫斯科保卫战打响时仍未填补，还有苏军在外蒙古损失 30 万人及大批武器装备更是让苏军雪上加霜。