9 сентября Сталин утвердил частичный отвод, но «простое упоминание о необходимости оставить Киев», писал Василевский, «приводило Сталина в ярость, и он моментально терял контроль над собой. Мы очевидно не имели достаточно власти, чтобы устоять перед этой вспышкой неконтролируемой ярости, или (? ума, чтобы?) как следует понять нашу ответственность за надвигающуюся катастрофу». В телефонном разговоре с Шапошниковым 10 сентября Будённый, командующий Юго-Западным направлением, указал на провал сил Ерёменко по выполнению задачи и сказал, что без подкреплений он будет вынужден приказать отходить. Будённый попросил Шапошникова передать его мнение Верховному Командующему, но на следующий день он получил телеграмму со сталинской директивой: «Военный совет Юго-Западного фронта считает, что в ситуации, которая возникла, необходимо позволить общий отход фронта в тыл… Отсрочка отступления Юго-Западного фронта приведёт к потере войск и снаряжения. Запрашиваемое разрешение на отступление из района Киева безусловно поможет Юго-Западному фронту избежать окружения со всеми войсками и снаряжением». Позже в этот же день Сталин говорил с Кирпоносом, командующим Юго-Западным фронтом, и сказал ему: «Вы предлагаете отвести войска… Мы видим опасность…». Он приказал Кирпоносу прекратить думать об отступлении и направить все силы на борьбу с врагом. Сталин также принял в тот день решение отстранить Будённого от командования Юго-Западным направлением и назначить Тимошенко на его место. 13 сентября начальник штаба Кирпоноса подал рапорт Шапошникову заявив, что катастрофа произойдёт через пару дней. Приведённый в ярость Сталин продиктовал ответ лично:
«Генерал-майор Тупиков прислал паническое донесение… в Генеральный штаб. Ситуация напротив, требует, чтобы командиры всех степеней без исключения проявили ясный ум и сдержанность, но один запаниковал. Все войска на фронте должны понять необходимость упорно сражаться не оглядываясь назад. Каждый должен непоколебимо выполнять приказы товарища Сталина».
Несмотря на сталинские призывы, конец наступил быстро. 17 сентября Ставка окончательно дала команду оставить Киев и отходить на восточный берег Днепра. Это было так мало и так поздно. Клещи немецкого окружения восточнее Киева уже сомкнулись. Четыре советские армии, 43 дивизии, целиком попали в окружение. Юго-Западный фронт потерял три четверти миллиона человек, включая 600 000 убитых, пленных, или пропавших без вести в ходе битвы за Киев. Среди погибших были Кирпонос и Тупиков.
Одним из уцелевших в киевской катастрофе был генерал Иван Баграмян, начальник оперативного отдела Кирпоноса, который пробивал путь отхода из окружения. В своих мемуарах Баграмян делает предположение, что причиной того, что Сталин так неистово старался оборонять Киев, была беседа с эмиссаром Рузвельта Гарри Гопкинсом о том, что Красная Армия в состоянии удерживать линию обороны от Киева до Москвы и Ленинграда. В разговоре с Гопкинсом в конце июля Сталин доверительно высказался, что немцы устали и утратили наступательный дух. Сталин говорил Гопкинсу, что, так как прошли проливные дожди, немцы не будут в состоянии провести значительные операции после 1 сентября, и в любом случае фронт стабилизируется к 1 октября. Но месяц был долгим сроком для Восточного фронта, и в начале сентября Сталин писал Черчиллю, что фронт дестабилизирован прибывшими свежими вражескими силами. Он призывал Черчилля открыть второй фронт либо на Балканах, либо во Франции, что отвлечёт 30-40 дивизий противника с Восточного фронта. Это был не первый случай, когда Сталин призывал Британию открыть второй фронт, но этот призыв был значительно более сильным, чем предыдущие. Когда Черчилль информировал его, что нет возможности открыть второй фронт в 1941 году, Сталин предложил перевезти 25-30 дивизий в СССР для сражений на советской земле.
Хотя фактор престижа несомненно играл роль, Киев был историческим местом зарождения Российского государства, как и столицей Украины. Главная причина катастрофы, как предположил Василевский в своих мемуарах, то, что Сталин недооценивал угрозу немецкого окружения и переоценивал возможности своих собственных войск бороться с этой опасностью.
Иван Мудсли комментировал немецкое окружение под Киевом, как «великий триумф в войне на востоке и великую катастрофу для Красной Армии». Но сражение под Киевом не было полной катастрофой для Сталина. Это также дорого стоило Гитлеру (10 дивизий и 100 000 человек потеряно, согласно Василевскому). И пока Гудериан был занят на юге, группа армий Центр не могла продвигаться на Москву. Следом за этой победой под Киевом немцы продвинулись на восточную Украину, в Крым и к Ростову-на-Дону по основному направлению на Кавказ. Немцы заняли Ростов-на-Дону в ноябре 1941 года. Но они были вынуждены покинуть город, а в Крыму оборона Севастополя продлилась до июля 1942 года.