На Украине были сосредоточены основные силы РККА и здесь немецкая танковая группа Клейста с первых же дней встретила ожесточенное сопротивление. Командующий фронтом генерал Кирпонос подтянул свежие танковые части, которые контратаковали вермахт и сдерживали его продвижение. До 3 июля продолжались упорные бои. Советские войска отходили очень медленно, часто только после ожесточенных контратак вырвавшихся вперед клиньев фон Клейста.
4 июля 1-я танковая группа достигла района западнее реки Случь, но обе армии группы «Юг» отстовали, преследую медленно отходящие части Красной Армии. В итоге, после двенадцатидневных боев группе армий Рундшедта не удалось вырваться на оперативны простор. Ее армии фронтальным наступлением теснили противника, который, собрав все свои силы, бросился навстречу немцам и избежал широкого охвата. Красная армия, неся тяжелые потери, смогла отвести основные части за реку Случь, Западный Буг, Днестр и в район южнее Могилева.
Командование и войска РККА оказались на высоте требований, который предъявил к ним значительно более трудный, чем все предыдущие театр военный действий. Клейста поражало количество русских танков, участвовавших в контратаках. Руководство вермахта, введенное в заблуждение собственной разведкой не знало, что к началу войны у Сталина было более 10 тысяч танков, в том числе более 500 не имевших аналога за границей тяжелых КВ-1, существование которых стало неприятным сюрпризом для германского командования. Если раньше Гитлер отмахивался от реальных оценок боевой мощи СССР, то сейчас его генералы получили возможность убедиться в правильности цифр на практике. Пока для серьезных опасений у немцев не было оснований, однако уже было ясно: здесь не могло быть и речи о том, чтобы быстрыми ударами «разрушить карточный домик».
5 июля Клейс начал наступление на «линию Сталина» - оборонительные сооружения на старой советской границе. Прорвав укрепрайоны, немецкие танки через несколько дней достигли Бердичева и Житомира. Рундштедт слал вдогонку Клейсту приказы захватить Умань, но, сильные дожди на несколько дней сделали дороги непроходимыми. Воспользовавшись этом, русские нанесли удары по растянутым флангам 1-й танковой группы. Прошло больше недели, пока Клейст с помощью 6-й армии смог продвинуться к Белой Церкви. Когда после этого он захотел развернуть свои танки на юго-восток, подошедшие части РККА неожиданно ударили по левому флангу, и Клейсту пришлось использовать часть сил для обороны. Только к началу августа войскам группы армий «Юг», постоянно обивая контратаки, удалось окружить уманьскую группировку Красной Армии. В котле оказались 6-я и 12-я армии. 8 августа немцы взяли в плен 103 тысяч человек, в том числе обоих командующих армиями, захватили 317 танков и 858 орудий.
Теперь танковая группа Клейста быстро продвигалась в сторону Кременчуга, но командование Красной Армии отвело свои части из Бессарабии. Не встречая серьезного сопротивления, к 24 августа Днепр до самого устья оказался к руках немцев. 6-я армия фельдмаршала фон Рейхенау не смогла с ходу взять Киев, натолкнувшись на мощную группировку противника.
22 августа Гитлер отдал приказ об уничтожении киевской группировки противника. 2-я танковая группа, переброшенная из Белоруссии, начала наступление на юг. Через две недели танки фон Клейста вместе с 17-й армией внезапно рванулись из районе Кременчуга на соединение с Гудерианом. 19 сентября Киев был обойден и взят, и русские, находившиеся в треугольнике Киев-Черкассы-Лохвица, были зажаты со всех сторон. Танковые группы в ожесточенных боях обивали все попытки противника деблокировать свои войска с востока и расчленили внутри котла окруженные армии. К 26-му сентября сражение закончилось. В сводке германского главнокомандования сообщалось о пленении 665 тысяч человек, захвате 3718 орудий и 884 танков. Командующий Юго-Западным фронтон Кирпонос вместе с начальником штаба Тупиковым и членом Военного Совета Бурмистенко погибли в последних боях, разделив участь тысяч и тысяч солдат. Это было самое большое поражение Красной Армии во второй мировой войне. Если бы Сталин разрешил вовремя отвести войска от Киева, трагедии не произошло бы.