В Смоленском сражении Красной армией впервые была применена реактивная артиллерия. 14 июля 1941 г. батарея реактивных машин БМ-8 в составе семи боевых установок под командованием капитана И.А. Флерова дала залп по железнодорожной станции Орша, где скопилось много живой силы и боевой техники противника. Об эффективности применения этого нового вида оружия говорит выдержка из приказа верховного командования вермахта по войскам: «Русские имеют автоматическую многоствольную огнеметную пушку. Выстрелы производятся электричеством. Во время выстрела у нее образуется дым. При захвате таких пушек сообщать немедленно».
Битва за Смоленск резко контрастировала с июньской катастрофой Красной армии в Белоруссии. Если в первые две недели войны группа армий «Центр» продвинулась на 500-600 км, то за последующие два месяца – лишь на 150-200 км, понеся при этом в пять раз больше потерь. По мнению ряда немецких военачальников, задержка под Смоленском отрицательно повлияла на весь дальнейший ход борьбы Германии против СССР, уже стало ясно, что план молниеносной войны не удается.
В связи с этим в приказе Гитлера от 21 августа 1941 года указывалось, что теперь приоритетом немецкого наступления становиться не Москва, а южное направление. В нем в частности говорилось: «Развитие операции в направлении на Москву не соответствуют моим планам. Приказываю: Важнейшей целью до наступления зимы считать не захват Москвы, а захват Крыма, индустриального и угольного района Донбасса и лишения русских доступа к кавказской нефти». Приостановка на два месяца наступления на Москву, по мнению начальника немецкого Генерального штаба сухопутных войск Германии генерал Ф. Гальтера, было роковой ошибкой Гитлера в летнюю кампанию 1941 года.
Теперь вся напряженность боев переместилась на Украину. Здесь войска Юго-Западного фронта (4 армии) с боями отступали вглубь Украины под натиском превосходящих сил немецкой группы армий «Юг». Уже 23 июня 1941 г. в районе Луцк-Дубно-Ровно произошло первое крупное танковое сражение. С обеих сторон в нем участвовало до 1,5 тыс. танков. В течение недели четыре советских механизированных корпуса сдерживали натиск 1-й танковой группы (генерал Клейст), а затем отошли на новые рубежи. В результате было выиграно время для отхода всей львовской группировки и подготовки обороны Киева. Однако бои на Западной Украине стоили немалых потерь в людях (165 тыс. безвозвратные потери) и технике (5,8 тыс. орудий и минометов, 4,5 тыс. танков и 1,2 тыс. самолетов).
11 июля началась битва за Киев. Здесь со стороны немцев действовало 3 полевых и 1 танковая армия (св. 1,2 млн. человек). Им противостояли войска Юго-Западного фронта под командованием генерала Кирпоноса (5-я, 6-я, 26-я, 12-я армии, ВВС фронта и Пинская военная флотилия). Немцам удалось прорвать фронт у Житомира и выйти к Киеву. Но они не смогли овладеть им из-за фланговых ударов советских частей и стойкой обороны столицы Украины. Тогда командующий немецкими армиями «Юг» Рундштедт прекратил фронтальный натиск на Киев и нанес удар в южном направлении, на Умань. Там немцы окружили 100-тысячную советскую группировку, что позволило им овладеть Правобережной Украиной.
Сражение за Киев возобновилось в конце июля. В упорных двухнедельных боях советские войска отстояли город. Но в целом обстановка складывалась не в пользу советских войск. Левобережной Украине угрожал нависший над ней с севера Смоленский выступ, где действовала немецкая группа «Центр», это грозило окружением всей киевской группировки советских войск. Начальник Генерального штаба Г.К. Жуков предложил Сталину пока не поздно оставить Киев и отвести советские войска на восток, но получил отказ. Для сдерживания наступления 2-й танковой армии Гудериана Ставка создала Брянский фронт (генерал Еременко). Но немцам удалось прорвать Брянский фронт и двинуться с севера на Киев. Тем временем части группы армий «Юг» захватили в районе Кременчуга плацдарм на левом берегу Днепра и двинулись оттуда навстречу наступавшим с севера войскам. 15 сентября обе немецкие группы соединились у Лохвиц, окружив 600-тысячную киевскую группировку.
19 сентября войска Юго-Западного фронта оставили Киев. Их отход сопровождался большими потерями. Только 150 тысяч солдат и офицеров Юго-Западного фронта сумели вырваться из окружения, остальные погибли в боях на подступах к Киеву и при выходе из окружения или оказались в фашистском плену. Безвозвратные потери составили 616 тыс. человек. Погиб и командующий фронтом М.П. Кирпонос вместе со всем своим штабом. Это было одно из крупнейших поражений советских войск в Великой Отечественной войне. Но захват Киева на время отложил немецкое наступление на Москву, что позволило подготовить столицу к обороне.