12 сентября из района Кременчугского плацдарма развернула наступательные действия немецкая ударная группировка. 38 армия, действовавшая в полосе 200 километров, не смогла отразить неприятельский удар, поэтому стала отступать.

15 сентября 1 и 2 танковые группы вермахта встретились в Лохвице, замкнув кольцо окружения вокруг Юго-Западного фронта: 5, 26, 37, части соединений 21 и 38 армий. Утром 17 сентября военный совет фронта сообщил Ставке о сложившейся критической ситуации, а также обратился с просьбой на немедленный прорыв вражеского кольца окружения, отход на реку Псел. Ставка ВГК снова не поддержала предложение командования Юго-Западного направления. Вечером 17 сентября 37 армии было разрешено отойти на восточный берег Днепра. Командование Юго-Западного фронта к исходу 17 сентября решило начать отвод окруженных войск, но с 21, 26 и 37 армиями связь была утрачена. Руководству фронта не удалось сохранить управление боевыми действиями армий в окружении. 19 сентября немецкие войска захватили Киев.

До 27 сентября продолжались бои войск Юго-Западного фронта в окружении. По данным советских источников в окружении оказались 452720 военнослужащих, из которых большинство погибли или попали в плен. К началу октября около 21000 солдат и офицеров смогли прорваться из окружения. Гибель большей части войск Юго-Западного фронта в окружении стала одной из крупнейших катастроф в военной истории. По мнению многих исследователей поворот значительной части немецких танковых соединений на Украину помог отстоять Москву.

Армии, которые вышли из окружения были пополнены из резервов Ставки 5 стрелковыми дивизиями и 3 танковыми бригадами. В последних числах сентября Юго-Западный фронт, представленный армиями: 21, 38, 40 и 6, переведенной из Южного фронта, создал оборонительную линию: Белополье, Лебедин, Красноград, Новомосковск.

Поражение Юго-Западного фронта в битве за Киев ухудшило ситуацию на советско-германском фронте, прежде всего на его южном крыле. Поэтому 27 сентября Ставка приказала всем фронтам перейти к обороне. Сосредоточение значительных сил врага на реализации Киевской операции помогло советскому командованию укрепить войска на московском направлении, а также сорвать планы руководства фашистской Германии окончить войну до начала зимы.

До конца сентября соединения Южного фронта под натиском немецких войск отступили на линию обороны: Днепропетровск, Запорожье, Мелитополь. В конце сентября соединения Юго-Западного и Южного фронтов сражались с врагом, защищая рубеж: Белополье, Гадяч, Красноград, Павлоград, река Днепр от Днепропетровска до озера Молочное.

На юго-западном направлении к 30 сентября немецкие войска в 1,7 раза превосходили советские по личному составу, обладали трехкратным превосходством в артиллерии, почти двухкратным в авиации. Советские войска имели более чем двукратное преимущество над противником в танках.

С целью окружения и разгрома армий Южного фронта 27 сентября 1 немецкая танковая группа начала наступление на юго-восточном направлении. Преодолев оборонительный рубеж 28 кавалерийской дивизии у Новомосковска, форсировав реку Самару, танковые соединения противника вышли в тыл 12 армии Южного фронта. Недооценка советским командованием возникших угроз способствовала поражению фронта в Северном Приазовье.

7 октября передовые подразделения немецкой 1 танковой армии встретились у Бердянска с 11 армией, окружив часть соединений 9 и 18 армий Южного фронта, отступивших с оборонительных рубежей в районе Запорожья и Мелитополя. Им пришлось прорываться с боями к Мариуполю и реке Миус. Часть соединений 18 армии, окруженные к северу от Бердянска в районе сел Пологи и Гусарка, вели ожесточенные бои с 8 немецкими дивизиями до 10 октября, улучшая положение остальных частей 9 и 18 армий. Понеся большие потери в живой силе и технике, они смогли избежать полного окружения и разгрома, 6 октября достигли предместий Мариуполя, а также нанесли контрудар.