1941年6月22日凌晨，德軍不宣而戰，採取在波蘭和西歐已經運用純熟的閃擊戰術，向毫無任何戰爭準備的蘇聯發起全面進攻。在短短的時間內，就在蘇聯境內進行了幾次大的閃擊性圍殲戰，將蘇軍主力部隊大批地消滅。而蘇軍缺乏準備，指揮笨拙，兵敗如山倒，被俘的人數常常以數十萬計，成為二戰中蘇軍最為慘痛的一次失敗。
從1941年6月22日到9月26日，近百萬蘇軍除了陣亡者外，有66。5萬人成了法西斯德軍的戰俘。德軍還俘獲了坦克884輛，火炮3718門，車輛3500輛。
根據法西斯德國事先制定好的入侵蘇聯的“巴巴羅沙”計劃，德軍兵分為北方、中央、南方三個集團軍群同時閃擊進攻蘇聯，其中兵力最強大的德軍中央集團軍群，包括第2裝甲叢集和第3裝甲叢集，多次採取快速突擊，大膽穿插等方式，以鉗形攻勢迅速在蘇軍後方形成強大合圍，使德軍在比亞威斯托克－明斯克會戰中一舉抓獲了30多萬蘇軍俘虜，隨後又在斯摩稜斯克會戰中抓了30萬蘇軍俘虜，並完成了從蘇聯邊境到莫斯科的一半以上路程，距離蘇聯首都莫斯科已經僅有300公里路程了。
1941年8月21日，希特勒命令德軍殲滅蘇軍西南方面軍所屬第5集團軍，進而佔領克里米亞和頓涅茨盆地的工業區，切斷通往高加索地區的石油供應。 8月25日，德軍第2裝甲叢集率先南下，向布瓊尼元帥的百萬大軍的後方直插下去。
而此時的蘇軍最高統帥部對德軍第2裝甲叢集的戰略目標判斷出現失誤，甚至以為德軍第2裝甲叢集是要從南翼包圍蘇軍預備隊方面軍，進而迂迴進攻莫斯科。希特勒放著近在眼前的莫斯科不進攻，而把裝甲部隊派往南北兩翼，這本來就不合一般軍事進攻邏輯，蘇軍高層對此未能理解，這恰恰給了德軍第2裝甲叢集南進的時間。
1941年8月底，蘇軍最高統帥部對德軍的戰略意圖才如夢初醒，蘇軍布良斯克方面軍才開始以10個步兵師和若干坦克對德軍第2裝甲叢集翼側進行的反突擊，但卻未能奏效，並未能阻止德軍第2裝甲叢集繼續向南衝去。至此，德軍要圍殲基輔地區蘇軍的意圖已暴露無遺。
在這種極端不利的戰爭形勢下，蘇軍理應主動撤退，以避免被圍。然而，蘇軍最高統帥斯大林卻仍然一意孤行，命令西南方面軍不惜一切代價堅守陣地，不但原有守軍得不到及時撤離，反而還將大批蘇軍部隊從各地調集到基輔戰地，集中送入德軍虎口。
1941年9月7、8兩日，德軍第2裝甲叢集從斯塔羅杜布繼續向南挺進，插向羅姆內和樸裡盧基，而德軍中央集團軍第2集團軍從哥美爾向南運動，南方集團軍群的第17集團軍將把蘇軍部隊牽制在切爾卡司以北第聶伯河的下游，在河對岸克列緬丘格附近佔領一個橋頭堡。克萊斯特的第1裝甲叢集將從這個橋頭堡向北推進，把他們西面大約六個蘇聯集團軍切斷在第聶伯河大河曲一帶。與此同時，德軍第6集團軍將向東運動，渡過第聶伯河和迭斯納河，進入基輔，並開始對被包圍的蘇軍集中進行圍殲。
1941年9月12日，蘇軍西南方面軍司令員基爾波諾斯上將冒著上軍事法庭的危險，自行命令全線撤退，但這個命令很快就被蘇軍最高統帥部下令取消了。此時的斯大林和蘇軍最高統帥部，嚴令禁止任何形式的後撤，命令蘇軍不僅要守住基輔及周圍地區，還要對德第2裝甲叢集實施反突擊。然而，此時德軍裝甲精銳部隊已經完成了對蘇軍的合圍，基輔及周圍地域的蘇軍已被德軍團團包圍。
9月17日，蘇軍最高統帥部終於同意撤退。然而為時已晚，蘇軍指揮失靈，官兵毫無突圍準備，整個17日未組織起進行任何有實際意義的突圍。 18日，蘇軍集中了強大的兵力和坦克，向德軍第16裝甲師發動了第一次突圍。蘇軍戰士端著上了刺刀的步槍，衝向德軍陣地。德軍很快陷入危急，而恰在此時，德軍的增援部隊趕到，打退了蘇軍的衝鋒，第一次突圍失敗了。同一天，在德軍第2裝甲叢集的陣地，雙方也展開了激烈的突圍與反突圍戰鬥，蘇軍出動了1個騎兵師、2個坦克旅的優勢兵力向外突圍，終於殺開一條血路，衝出了包圍圈，但德軍第3裝甲師又組成了新的包圍圈。蘇軍兇猛頑強地衝鋒，付出了慘重代價，最終還是沒能夠衝破包圍。廣闊的田野上堆滿了蘇軍的屍體，局面慘不忍睹。
9月19日，反應遲鈍的蘇軍最高統帥部終於決定放棄基輔。蘇軍放棄了城防要塞和外圍工事，炸燬了第聶伯河上的橋樑，退向城內，而城內的蘇聯黨政軍要員赫魯曉夫、布瓊尼、鐵木辛哥等人不得不乘飛機逃離了基輔。德軍很快佔領了基輔。
20日，蘇軍又組織了第二次大規模突圍，曾一度將德軍陣地開啟一個缺口，但不久又被德軍的反突擊所擊敗。至此，蘇軍再無力進行有效的突圍攻擊，包圍圈內的蘇軍士兵劫數已定。同一天，方面軍司令員基爾波諾斯、政治委員布林米堅斯科和參謀長圖皮科夫在突圍戰鬥中壯烈犧牲。
為了接應被圍困的蘇軍突圍，鐵木辛哥先後出動了幾個集團軍的兵力，從包圍圈外向內進攻，力圖挽救西南方面軍全軍被殲的命運，但由於方向的偏差，又遇到了德第17集團軍的堅固防守，始終未能成功，使被圍蘇軍失去了最後一線希望。
包圍圈裡的蘇軍越來越混亂，又被切斷了後勤供應，在既無燃料又無彈藥的情況下，只得整營整營地端起刺刀向德軍的坦克大炮和機槍發起密集衝鋒，擴音機把斯大林激勵人心的講話傳遍整個戰場，許多士兵陣亡時耳邊仍索繞著他的聲音。這種絕望的自殺式衝鋒最後成了一場德軍對蘇軍的大屠殺，成千上萬的蘇軍士兵倒在德軍的槍炮下。
基輔會戰，蘇聯最強大的西南方面軍被徹底殲滅，布良斯克方面軍和南方方面軍受到重創。整個蘇德戰場的態勢更加不利於蘇軍。德軍佔領基輔後，前出到哈爾科夫工業區、頓巴斯和克里米亞的各接近地，西南門戶洞開，莫斯科和其他腹地都受到嚴重威脅。蘇聯在西南的軍事力量損失殆盡，不得不從遠東及西伯利亞調集大批部隊在更加縱深的地域重建新的防線。
蘇軍西南方面軍將士用他們的鮮血為保衛莫斯科爭取到了寶貴的時間，只是這個代價實在太大了。斯大林由此開始改正自己的領導指揮錯誤，不再隨便修改前線指揮員所下命令，戰場指揮民主化、科學化程序開始加快，蘇軍作戰中的長官意志和官僚主義作風也得到了糾正。在經歷了幾次大敗之後，布瓊尼、伏羅希洛夫、鐵木辛哥等過時的蘇軍將領被淘汰，隨著蘇軍的新一代指揮員成長起來，在做出巨大的流血犧牲、交了昂貴的學費之後，蘇軍慢慢從德軍那裡學會了閃擊戰等戰術，運用大縱深理論以其人之道還治其人之身，而這也決定了蘇軍在二戰中取得最後勝利。