Тем временем северный фланг фон Лееба продолжал двигаться к Ленинграду. 30 августа фельдмаршал Лееб вышел на реку Нева, но был остановлен у Красногвардейска. 8 сентября 126-я пехотная дивизия и части 39-го танкового корпуса захватили Шлиссельбург и блокировали Ленинград с суши, а 1-й воздушный флот люфтваффе начал бомбить город. Фон Лееб приступил к заключительному этапу операции, Ленинград был уже в пределах досягаемости германских 240-миллиметровых пушек. Командующий созданного Ставкой 5 сентября Ленинградского фронта Ворошилов располагал 55-й, 42-й и 23-й армиями, которые отчаянно сражались по внутреннему периметру сужающегося кольца окружения.
В первую неделю сентября 1941 года фон Лееб получил из группы армий «Центр» подкрепление в виде 3-й танковой группы генерала Гота.
6 сентября фюрер подписал директиву № 35. Согласно этой директиве на взятие города фон Леебу отводилось всего две недели.
После трехдневной передышки фельдмаршал начал штурм Ленинграда. 9 сентября 41-й танковый корпус перешел в наступление. Сражение было ожесточенным. Главный удар в первый день нанесли 16-й танковый корпус и 36-я моторизованная дивизия, атаковав Пулковские высоты. На левом фланге 39-й танковый корпус, усиленный 20-й моторизованной дивизией, нанес удар в направлении Шлиссельбурга. 1-я танковая дивизия наносила удар вдоль левого берега Невы, а 6-я наступала по обе стороны железной дороги Москва – Ленинград. Продвижение немецких армий шло крайне медленно, счет велся едва ли не на метры. Обе стороны несли огромные людские потери. За один день 10 сентября 1-я танковая дивизия потеряла столько танков, что из оставшихся машин можно было с трудом укомплектовать полбатальона, но к исходу дня дивизия заняла важнейшие высоты, с которых прекрасно просматривался Ленинград. На левом фланге немецкая пехота пробилась в пригороды Пушкина и стала продвигаться к Красному Селу. Утром 11 сентября морские пехотинцы поначалу потеснили немцев, но, не имея никаких резервов, через несколько часов были вынуждены оставить Красное Село. В тот же день Ворошилов был снят с должности командующего Ленинградским фронтом, а его место занял Жуков.
13 сентября Жуков прибыл в Ленинград. К этому времени 6-я танковая дивизия захватила Пулково, а 58-я пехотная дивизия взяла Александровку, где находилась конечная остановка трамвайной линии, ведущей к Невскому проспекту. Напротив Кронштадта, на узкой полоске побережья Финского залива близ Ораниенбаума, морская пехота и то, что осталось от 8-й армии, при поддержке главных калибров кораблей Балтийского флота сдерживали натиск двух корпусов 18-й армии вермахта.
14 сентября Жуков, бросив в бой свой последний резерв – 10-ю стрелковую дивизию, провел контрудар в направлении Сосновки. На следующий день, 15 сентября 1941 года, 4 дивизии фон Лееба смяли 10-ю стрелковую дивизию, захватили Урицк и вплотную подошли к Ленинграду.
16 сентября Вильгельм фон Лееб получил приказ Гитлера не брать город боем, а только взять его в блокаду, чтобы заставить капитулировать. Кроме того, фон Лееб должен немедленно снять с фронта 41-й танковый и 8-й авиационный корпуса для передачи их в распоряжение Ставки для наступления на Москву. В обмен фон Леебу была обещана пехотная дивизия (250-я испанская «Голубая») и два парашютных полка. В ту же ночь 1-я танковая дивизия приступила к погрузке уцелевших танков на железнодорожные платформы в Красногвардейске, а 36-я моторизованная дивизия своим ходом отправилась к Пскову.
Фон Лееб заявил о своем несогласии с неразумным стратегическим решением Гитлера – отказом от взятия Ленинграда, но безрезультатно. Он решил до наступления зимы и холодов как следует закрепиться на берегах Ладоги. Но Гитлер приказал ему захватить Тихвин. Теперь ему предстояло соединиться с финскими войсками восточнее Ладожского озера. В середине сентября 1941 года 39-й моторизованный корпус генерала фон Арнима при поддержке частей 18-й полевой армии нанес удар по позициям Северо-Западного фронта южнее Ладожского озера. Сломив сопротивление 4-й советской армии, танки фон Арнима 8 ноября захватили Тихвин, но дальше продвинуться не смогли. Через неделю, подтянув из Сибири свежие дивизии, советские войска перешли в контрнаступление. Части 4-й и 52-й отдельных армий 9 декабря выбили немцев из Тихвина и ликвидировали выступ. Вслед за этим советское командование нанесло второй контрудар, атаковав южный фланг фон Лееба. 3-я и 4-я ударные, 11-я и 34-я армии Северо-Западного фронта 7 и 9 января 1942 года нанесли фланговые и фронтальные удары по позициям 16-й армии в районе Демянска. 12 января Вильгельм фон Лееб потребовал от фюрера разрешить отвод 2-го армейского корпуса, которому грозило окружение, но получил отказ. После этого фельдмаршал подал в отставку. Новым командующим группой армий «Север» был назначен генерал Георг фон Кюхлер.