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7月10日，蘇軍最高統帥部改組，以斯大林為首，成員有莫洛托夫、鐵木辛哥、伏羅希洛夫、布瓊尼、沙波什尼科夫、朱可夫和庫茲涅佐夫等人。最高統帥部決定將前線劃成3個戰區，伏羅希洛夫為西北戰區司令，布瓊尼為西南戰區司令、鐵木辛哥為西部戰區司令兼西方方面軍司令員。
此時德〃中央〃集團軍群的先頭部隊已到達斯摩稜斯克。德軍的企圖是，以強大突擊兵團分割鐵木辛哥的西方方面軍，將其主力合圍於斯摩稜斯克地區，然後長驅直入莫斯科。蘇最高統帥部命令鐵木辛哥堅決頂住德軍的進攻。
德〃中央〃集團軍群以坦克第2、第3集團軍，步兵第2、第9集團軍，共29個師，在強大空中力量支援下，向斯摩稜斯克地區發起猛烈進攻。
鐵木辛哥在第一線只有24個師，由於兵力武器不足，未能建立縱深梯次配置，只能在防禦中建立第一線配置。西方方面軍處於極為不利的地位。
德軍進攻得手，於7月16日佔領斯摩稜斯克，隨即向南推進，切斷了明斯克－莫斯科公路。蘇軍第16、第20集團軍和第19集團軍一部共13個師，在斯摩稜斯克地區陷入德軍合圍。蘇軍第13集團軍4個師和1個機械化軍在莫吉廖夫被圍。
7月13日，鐵木辛哥以左翼第21集團軍發動反突擊，渡過第聶伯河，奪回羅加切夫、日洛賓、並向博布魯伊斯克挺進，襲擊敵〃中央〃集團軍群的南翼，牽制了德軍8個師。
此後，蘇最高統帥部從預備隊中調撥出30個師給鐵木辛哥，以對德軍進行反攻。從7月23日至25日，蘇軍從別累伊－亞爾策沃－羅斯拉夫利向斯摩稜斯克進行反擊。此役雖未取得全部預期戰果，但支援了被圍之第16和第20集團軍的突圍，並牽制了大量德軍，嚴重削弱了敵人力量。到7月底，德軍步兵損失20％，坦克損失50％。德軍疾進莫斯科的企圖被粉碎。 8月初，希特勒將首攻莫斯科的戰略目標轉為首攻列寧格勒和烏克蘭。德〃中央〃集團軍群一部轉而支援〃北方〃集團軍群，另有兩個集團軍轉向南下，插入蘇西南方面軍後方，從第聶伯河東岸包抄蘇軍，進攻基輔。
德軍主攻方向轉移後，蘇軍3個方面軍對斯摩稜斯克及其南北兩翼發動了全線反攻，但因兵力和武器不足，未能取得勝利。從9月10日開始，蘇軍斯摩稜斯克一線的3個方面軍同時轉入防禦。持續兩個月的斯摩稜斯克會戰暫告一段落。此役蘇軍失利，但也使德軍遭受嚴重損失，殲敵25萬人，牽制德軍達兩個月之久，為蘇軍贏得了寶貴的時間。
此時，戰役重點已轉移到西南戰區的烏克蘭。優勢德軍已開始在基輔地區形成對蘇西南方面軍的合圍。西南戰區司令布瓊尼元帥請求斯大林准予他撤退。斯大林不準，要求死守基輔地區，並撤消了布瓊尼元帥西南戰區司令的職務，轉令鐵木辛哥元帥接任。9月13日，鐵木辛哥接管了全烏克蘭蘇軍部隊的指揮權。他立即發現德軍已形成合圍，局勢已無法挽回。他派出西南方面軍參謀長圖皮科夫少將飛抵莫斯科，面見斯大林，堅決要求將部隊撤出基輔地區。斯大林仍嚴令堅守基輔地區。
9月16日，鐵木辛哥元帥發現德軍對西南方面軍的合圍已經閉合，立即下令第40、第38集團軍及第2、第5獨立騎兵軍從東而發起進攻，以求割裂德軍合圍正面，擊退德軍裝甲兵團。蘇軍堅決執行了鐵木辛哥的命令，但未能成功。與此同時，鐵木辛哥再次堅決要求最高統帥部准予西南方面軍全線突圍，撤出基輔地區。
次日凌晨，斯大林同意蘇軍突圍，但為時已晚，西南方面軍各部已被德軍分割包圍。鐵木辛哥集合各部不惜一切代價突圍、並盡其所能地組織了幾次較大規模的突圍行動。由於指揮系統已遭破壞，難以集中大量兵力，幾次突圍均未成功。但是仍有15萬官兵突出德軍重圍。
基輔會戰，蘇西南方面軍幾乎全軍覆沒，損失52萬人，但為保衛莫斯科贏得了寶貴的時間。 基輔會戰結束後，西南戰區司令鐵木辛哥立即重新組建了西南方面軍司令部，自己兼任方面軍司令員，同時迅速重建了西南方面軍。這時西南戰區的戰事集中在頓巴斯地區。為加強鐵木辛哥的力量，最高統帥部將南方方面軍交由他指揮。
1941年11月，德國南方集團軍群企圖經羅斯托夫向北高加索實施突擊，對羅斯托夫威脅最大的是其第1裝甲集團軍。為解除威脅並阻止德軍突向北高加索，鐵木辛哥主張用所轄的南方方面軍發動進攻戰役以殲滅羅斯托夫方向的德軍，得到最高統帥部批
