Po útoku na Sovietsky zväz dobyli Nemci 19. septembra 1941 aj Kyjev. Počas kyjevskej bitky došlo v širšom okolí mesta k obrovskému obkľúčeniu sovietskych síl a strate vyše 500 000 sovietskych vojakov. Sovietske jednotky ministerstva vnútra (NKVD) pred ústupom z mesta zamínovali časť budov v centre, ktoré vybuchli až po začiatku nemeckej okupácie. Nacisti sa v meste dopustili krutých vojnových zločinov – 29. a 30. septembra 1941 zvláštne jednotky SS zviezli do rokliny Babyj Jar na severozápadnom okraji mesta viac ako 33-tisíc kyjevských Židov a postrieľali ich. Neskôr popravy na tomto mieste pokračovali. Spod nacistickej okupácie bolo zničené mesto vyslobodené 6. novembra 1943 jednotkami 1. ukrajinského frontu. Na bojoch o mesto sa zúčastnili aj vojaci 1. česko-slovenskej samostatnej brigády. 8. mája 1965 bol mestu za činnosť počas vojny udelený titul mesto-hrdina.