Il 23 giugno 1941, ad appena un giorno dall'inizio dell'Operazione Barbarossa e quando era avanzata di soli 80 km, il 1. Panzergruppe venne violentemente attaccato dalle ingenti forze corazzate sovietiche del generale Kirponos. Fino al 30 giugno le Panzer-Division furono impegnate a respingere gli attacchi di circa 1.500 carri armati sovietici nella battaglia di Brody-Dubno rischiando più volte di essere sopraffatte e di rimanere accerchiate. Dopo aver definitivamente respinto ed inflitto gravissime perdite alle truppe corazzate di Kirponos, von Kleist sfondò la Linea Stalin il 7 luglio e partecipò alla chiusura della sacca di Uman' e alla sua liquidazione dal 16 luglio al 6 agosto. Terminati gli scontri a Uman' il 1. Panzergruppe venne convogliato da Hitler nella grande manovra di accerchiamento su Kiev assieme al 2. Panzergruppe di Guderian, distaccato momentaneamente dal Gruppo d'Armate Centro. La sacca venne chiuse il 15 settembre e Kiev cadde il 26, consegnando ai tedeschi 665.000 prigionieri. Nel mese di ottobre il 1. Panzergruppe venne rinominato in 1. Panzerarmee. Con la caduta di Kiev il generale von Kleist si diresse verso sud per poi avanzare lungo le coste del Mar d'Avoz ed occupare Rostov sul Don il 21 novembre. Tuttavia la posizione tedesca era troppo precaria e il 27 novembre i sovietici ripresero la città. In previsione della nuova campagna estiva del 1942 la 1. Panzerarmee partecipò a maggio alla Seconda battaglia di Char'kov, per eliminare la testa di ponte sovietica sul Donec presso Izym.