Стойко защищали столицу Украины трудящиеся Киева и прилегающих районов. Вместе с войсками сражалось около 35 тысяч бойцов народного ополчения.

Действия 5-й, 26-й и 37-й армий и большие потери, понесенные немецкими войсками, заставили гитлеровское командование 10 августа принять решение о прекращении штурма Киева и отказаться от попыток взять город в открытом бою.

Пока шли бои под Киевом, в район Первомайска прорвалась 1-я немецкая танковая группа и отрезала пути отхода 6-й и 12-й армий Южного фронта. Обе армии, окруженные в районе Умани, вели бои более недели, вплоть до 13 августа. Многие бойцы и командиры погибли, а выжившие оказались в плену. За счет резервных дивизий 6-я и 12-я армии были восстановлены.

Дальнейшее наступление противника в южном и юго-восточном направлениях по-прежнему угрожало окружением войскам Южного фронта. 11-я немецкая, 3-я и 4-я румынские армии, венгерские, словацкие и итальянские соединения неотступно преследовали войска Южного фронта и Отдельной Приморской армии, навязывая тяжелые бои. Войска Приморской армии отходили на дальние подступы к Одессе, Южного фронта — на рубеж Южного Буга, а затем к Днепру.

На этом направлении резервы Красной армии были исчерпаны. 12 сентября 1-я танковая группа противника с плацдарма у Кременчуга на левом берегу Днепра устремилась в северном направлении навстречу 2-й танковой группе и 2-й полевой армии из группы армий «Центр», повернутых с московского направления в сторону Конотопа и Чернигова против Юго-западного фронта.

15 сентября в районе города Лохвица они встретились, завершив окружение четырех армий Юго-западного фронта. 19 сентября по приказу Ставки 37-я армия оставила столицу Украины. Попытки незначительными силами деблокировать окруженные войска имели небольшой успех. К исходу 26 сентября прорвавшие окружение части заняли новый рубеж обороны.

Более недели шли бои в окружении. Командующий фронтом генерал-полковник М.П. Кирпонос и его штаб потеряли управление окруженными войсками, которые были расчленены на отряды и группы. Не всем удалось пробиться на восток. В бою погибли командующий М.П. Кирпонос, начальник штаба фронта генерал-майор В.И. Тупиков, член Военного совета фронта второй секретарь Центрального комитета Компартии Украины М.А. Бурмистенко. Когда жители увидели их бездыханные тела и тела павших вместе с ними бойцов и командиров, обнаружилось, что в магазинах их пистолетов и винтовок не оставалось ни одного патрона.

Оборона Киева продолжалась 71 день. Более 2,5 месяцев на пространстве свыше 300 километров по фронту и около 600 километров в глубину на направлении главного удара группы армий «Юг» была скована самая мощная 6-я немецкая армия, имевшая в июле 16, а в августе 21 дивизию. Это та самая армия, которая будет окружена и разбита в Сталинградской битве. Более чем на две недели задержится под Киевом 1-я танковая группа; она не сможет в установленный срок начать наступление в южном направлении в обход войск Юго-западного и Южного фронтов. Продолжительная и упорная оборона Киева отвлекла значительные силы не только группы армий «Юг», но и группы армий «Центр», чем задержала наступление врага на московском стратегическом направлении, которому отводилась важная роль в гитлеровском плане «молниеносной войны».

21 июня 1961 года указом Президиума Верховного Совета СССР была учреждена медаль «За оборону Киева».

В связи с тяжелой обстановкой, сложившейся на Правобережной Украине и в Молдавии после отхода войск Южного фронта к Днепру, Одесса осталась далеко в тылу противника. Ставка Верховного главнокомандования (ВГК) 5 августа 1941 года приказала Одессу оборонять до последней возможности. Оборона с суши возлагалась на Приморскую армию в составе 2 стрелковых и 1 кавалерийской дивизии, с моря — на отряд кораблей Черноморского флота и береговую артиллерию. В обороне города активно участвовало народное ополчение. Была сформирована 421-я стрелковая дивизия, 2 полка морской пехоты и несколько отрядов моряков, которые вошли в состав Приморской армии. В ряды защитников города влилось 90% коммунистов Одессы. К строительству укреплений было привлечено свыше 100 тысяч трудящихся города, что позволило в короткий срок оборудовать четыре мощных оборонительных рубежа.

Захват Одессы гитлеровское командование поручило 4-й румынской армии. До 10 августа, действуя в составе 12 дивизий и 7 бригад, она пыталась взять город с ходу. Приморская армия сдержала противника на дальних подступах к Одессе, а затем отошла на передовой рубеж в 20–25 километрах от города. Имея пятикратное превосходство в силах, противник 13 августа прорвался восточнее Тилигульского лимана к морскому побережью и полностью блокировал Одессу с суши.

При подготовке к новому штурму города 4-я румынская армия была усилена еще пятью румынскими пехотными дивизиями. 20 августа в штурме Одессы участвовало уже 17 дивизий и 7 бригад. В течение месяца советские войска стойко отражали атаки врага и остановили его на главном рубеже обороны в 10–14 километрах от города.

Несмотря на тяжелые условия базирования и господство в воздухе вражеской авиации, советские летчики уничтожили и вывели из строя большое количество танков, автомашин, артиллерийских орудий и личного состава румынских войск. Из них 9, наиболее отличившихся в тех боях, были удостоены звания Героя Советского Союза.

19 сентября из Новороссийска в Одессу корабли Черноморского флота доставили 157-ю стрелковую дивизию и части усиления. В восточном секторе обороны 22 сентября советские войска нанесли мощный комбинированный удар с суши, с моря и воздуха. Боевые корабли высадили в тылу врага полк морской пехоты, самолеты выбросили в тылу врага воздушный десант, а с фронта нанесли две стрелковые дивизии. В результате румынские войска были отброшены на 5–8 километров, разгромлены две румынские дивизии, артиллерия врага лишилась возможности вести обстрел города и порта.

В боях за Одессу особо отличились 25-я Чапаевская, 95-я и 421-я стрелковые дивизии генералов И.Е. Петрова, В.Ф. Воробьева и полковника Г.М. Коченова, 1-й полк морской пехоты полковника Я.И. Осипова, летчики 69-го истребительного авиаполка майора Л.Л. Шестакова, 26-й пограничный полк майора А.А. Маловского.

В конце сентября Ставка ВГК решила использовать войска Одесского оборонительного района для усиления обороны Крыма. С 1 по 16 октября корабли и суда Черноморского флота перевезли туда все войска (около 86 тысяч человек), 15 тысяч человек гражданского населения, а также большое количество различной техники и вооружения. К вечеру 16 октября передовые части противника ворвались в Одессу.