7 września 5. Armia była zagrożona rozcięciem na dwie części przez niemiecką 2. Armię nadciągającą ze wschodu i przez oskrzydlenie 6. Armii na północ od Kijowa. Stawka odmówiła początkowo odwrotu 5. Armii, ponieważ cały czas oczekiwała dobrego wyniku kontrataku Frontu Briańskiego. 9 września Stalin wydał ostatecznie rozkaz nakazujący 5. Armii wycofanie się, jednak w tym samym czasie została ona okrążona i 20 września generał Potapow i jego sztab dostali się do niewoli. W wyniszczającej bitwie niemieckie wojska okrążyły siły 5., 21., 26. i 37. Armią, zdobywając Kijów i biorąc do niewoli 665 000 żołnierzy radzieckich (radzieckie źródła podają, że liczebność wojsk Frontu Południowo-Zachodniego wynosiła 677 000 żołnierzy. Z okrążenia wydostało się 150 000 żołnierzy.