6-я армия фельдмаршала фон Рейхенау не смогла с ходу взять Киев, натолкнувшись на мощную группировку советских войск. 22 августа Гитлер отдал приказ об уничтожении Киевской группировки противника. 2-я танковая группа, переброшенная из Белоруссии, начала наступление на юг. Через две недели танки фон Клейста вместе с 17-й армией стремительным броском из района Кременчуга вышли на соединение с Гудерианом. 19 сентября Киев был обойден и взят, и советские части, находившиеся в треугольнике Киев – Черкассы – Лохвица, оказались зажаты со всех сторон. Танковые группы в ожесточенных боях отбивали все попытки противника деблокировать свои войска с востока и расчленили внутри котла окруженные армии. К 26 сентября сражение закончилось. В сводке германского главнокомандования сообщалось о пленении 665 000 человек, захвате 3718 орудий и 884 танков.
После окончания битвы за Киев танковая группа Клейста была сосредоточена на восточном берегу Днепра и 24 сентября начала наступление в юго-восточном направлении. Она прорвалась к Запорожью и вместе с 11-й армией генерал-полковника Риттера фон Шоберта в ходе «сражения у Азовского моря» взяла в плен более 100 000 человек. Пока переименованная в армию 1-я танковая группа продвигалась дальше на восток, 11-я армия захватила Крым и окружила Севастополь.
20 октября армия фон Клейста подошла к Таганрогу. Там ее застала осенняя распутица, которая совершенно парализовала снабжение войск. В результате Клейст подошел к Ростову-на-Дону только к середине ноября. Дожди сменились морозами, и машины стали вмерзать в грязь. Когда наконец Клейст был готов продолжить наступление, по его правому флангу ударили три армии РККА, подтянутые с Кавказа. По приказу Рундштедта, несмотря на приказ Гитлера, требовавшего стоять до последнего солдата, Клейст оставил Ростов и отошел обратно к Таганрогу на правый берег реки Миус. Упорная оборона частями РККА Севастополя помешала командованию вермахта бросить 11-ю армию через Керченский пролив и тем самым усилить 1-ю танковую армию, понесшую большие потери. Первая попытка прорваться на Кавказ к источникам нефти провалилась.
Германское командование перед началом летнего наступления хотело ликвидировать выступ, образовавшийся в ходе зимнего контрнаступления Красной Армии в районе города Изюм юго-восточнее Харькова. Одновременно командующий советскими частями Тимошенко по приказу Сталина готовился отбить Харьков.
Тимошенко опередил немцев на неделю. Впервые используя тактику танковых клиньев, войска РККА двинулись в наступление. Первые несколько дней успех сопутствовал советским войскам, но затем Клейст перешел в контрнаступление. Его танковая группа в течение пяти дней окружила 6-ю и 57-ю советские армии. По немецким официальным данным, в плен попали около 240 000 человек.
В конце июня 1942 года на фронте от Таганрога до Курска стояло пять армий вермахта. Группа армий «Юг» была разделена на две части: южную группу «А» под командованием фельдмаршала фон Листа и северную группу «В» под командованием фельдмаршала фон Бока. 28 июня в соответствии с оперативным планом почти миллион солдат вермахта перешли в наступление на южном направлении. Танки Клейста форсировали Северский Донец. Поскольку советское командование ждало наступления на московском направлении, а основная часть сил на юге была уничтожена в ходе последней неудачной операции Тимошенко, Клейст практически не встречал сопротивления. Значительный перевес в живой силе и недостаток в танках не позволяли РККА провести даже местные контрудары.
Форсировав Дон, танки Клейста разделились на две колонны. Одна двинулась на Краснодар, а вторая в сторону Ставрополя. 8 августа немецкие танки вошли в Майкоп. Одновременно два танковых корпуса, продвигавшихся севернее среднего течения Кубани, повернули на Грозный. Но постепенно начала сказываться оторванность передовых частей фон Клейста от баз снабжения. 9 августа танки Клейста заняли Пятигорск, но им пришлось несколько недель ждать горючего. 25 числа наступление продолжилось, но вскоре окончательно застопорилось в Моздоке и южнее Нальчика.
В ноябре 1942 года фон Клейст был назначен командующим вновь созданной группы армий «А».
Советское командование планировало встречными ударами Южного фронта и Черноморской группы войск окружить 1-ю танковую армию, прорвав оборону противника на линии Тихорецк – Ростов-на-Дону. В январе 1943 года Красная Армия начала наступление и без особых усилий прорвала оборону союзников Германии по фашистской «оси». Положение стало катастрофическим. Клейст засыпал ставку требованиями разрешить отвод войск. Наконец Гитлер буквально в последний момент разрешил отход частей вермахта с Кавказа. 1 февраля 1943 года в разгар сражения Клейсту было присвоено звание генерал-фельдмаршала.