德國與蘇聯籤訂《蘇德互不侵犯條約》，使德國在西進時免去了後顧之憂。但蘇聯趁德軍橫掃西歐無暇東顧之際，在佔領波蘭東部領土後，又相繼佔領了波羅的海沿岸三國以及羅馬利亞的比薩拉比亞和北布科維納地區，逼近羅馬利亞境內的普洛耶什蒂和巴克烏油田。蘇聯的這些行動對德國在波羅的海的利益和其機械化部隊賴以生存的石油資源構成了嚴重的威脅。德國西線戰事的順利進行，只有英國憑藉海洋的優勢在拼死抵抗，讓希特勒感到有機會騰出手來對付東邊的大國蘇聯了。1940年12月18日，希特勒籤署了第21號作戰命令，並以德國皇帝菲德勒·巴巴羅薩（腓特烈一世）的名字取代號為「巴巴羅薩」。該計劃全盤吸收了希特勒的觀點，將奪取列寧格勒和烏克蘭作為主要目標，最後才是莫斯科。
1941年6月22日4時30分，蘇德戰爭爆發。「巴巴羅薩」行動開始。德軍投入北方、中央和南方3個集團軍群。從波羅的海至喀爾巴阡山一線約1500公裡寬的正面上，分北、中、南三路向蘇聯發起閃電式突然進攻。
7月5日，德軍南方集團軍群以45個師和1個旅的兵力（另有匈牙利的3個旅和義大利的3個師陸續加入戰鬥），在第4航空隊支援下，從行進間突入蘇聯舊國界築壘地域，揭開了為期2個半月的基輔戰役的序幕。
從7月9日，德軍突入日託米爾開始，蘇軍的處境一直在惡化，7月11日德軍坦克已經出現在基輔郊外。為了解救基輔，蘇軍發起反擊，一度把德軍11裝甲師包圍在卡扎京地域。由於蘇軍南北兩個突擊集團的牽制和未能確定下一步作戰方針，德軍在別爾季切夫—日託米爾一線滯留了5天之久，這就給了蘇軍加強基輔防守的時間。
事實上德軍決定不從正面攻擊基輔，而把主要注意力轉向南方，即轉向新編的26集團軍的防禦地帶，特別是根據希特勒的第33號指令，南方集團軍群應該首先殲滅位於第聶伯河大彎曲部的蘇軍。為此集中了全部的3個裝甲軍，第3裝甲軍向法斯託夫，第14裝甲軍向白採爾科維，48裝甲軍向卡扎京突擊。
然而西南方面軍的指揮員卻沒有發現這一點，仍然為了解救基輔，不斷強行命令部隊沒做好準備就發起攻擊，這樣一次次徒勞的攻擊，新開到的部隊也被耗光了元氣。儘管蘇軍勇猛的阻擊也給德軍造成了不小的傷亡，但形勢卻不容樂觀，特別是在別爾季切夫—卡扎京地域，第6集團軍的右翼正在潰退，僅僅依靠奧古爾佐夫集群的單薄力量根本無法阻止德軍，7月15日德軍佔領卡扎京，這樣局勢已經不可挽回，蘇軍第6集團軍和26集團軍之間出現了一個100多公裡寬的大缺口，蘇軍敗局已定了。
到7月底，德軍在拿下塔利諾也以後已經繞到了蘇軍後方，儘管蘇軍仍然在做最後的掙扎，缺乏機動車輛的他們也跑不過德軍的機械化兵團。被分割的部隊已經回天無力了，8月3日，德軍9裝甲師和第1山地師在五一城會師，截斷了蘇軍退路，第6、12集團軍主力被德軍第一裝甲集群和17集團軍包圍在烏曼東南地域（被圍蘇軍共計3個機械化軍殘部5個機械化師和15個步兵師），蘇軍抵抗了一陣就被迫在8月6日放下武器，南方集團軍群贏得了重大勝利。到此，基輔戰役便落下了帷幕。
基輔戰役從1941年7月5日開始，至9月26日結束。在這次戰爭中，蘇軍第5、第21、第37、第26集團軍大部，第40、第38集團軍之一部被殲滅。蘇西南方面軍司令員基爾波諾斯上將、參謀長圖皮科夫、政委布爾米什堅科在突圍中陣亡。包括蘇第5集團軍司令波塔波夫在內的66萬人被俘。884輛坦克，3718門火炮，3500輛車輛被德軍擊毀或繳獲。基輔會戰可謂是第二次世界大戰中最大的包圍戰。對德軍而言，從戰術上來看無疑是一次成功的傑作，從戰略上來看，也有很充分的理由，但是唯一的弱點就是「時不我予」，尤其是德軍對於冬季作戰並無充分的準備。