去了资源供应，战争潜力便会迅速枯竭，而德军夺取了这些地区，将会极大提高德军持续发动战争的能力。
基辅战役结束后，德军领导层以为：苏军西南方向部队已受重创，德军中央集团军群南翼的威胁不复存在，德军在入冬前以主要兵力夺取莫斯科的同时，应以较少兵力攻占克里米亚、顿巴斯产煤区和哈尔科夫工业区，夺取通往北高加索的顿河渡口。
德国陆军总参谋长哈尔德还乐观地强调：第1装甲集群之所以必须向东南方向快速推进，并非担心敌人建成较强的防线，由于苏军缺少必要的兵力，他们不可能做到这一点，而是害怕敌人开始大规模后撤。
据此，德军南方集团军群企图乘苏军西南方向部队立足未稳，以主要兵力向顿巴斯和哈尔科夫两个方向不断地发展进攻，以歼灭苏军西南方向残余兵力。
德军在南面顿巴斯方向的进攻部署是：第1装甲集群从第聂伯罗彼得罗夫斯克以北新莫斯科夫斯克地域，第11集团军主力和罗马尼亚第3集团军主力由塔夫里亚以北地域，分别向亚速海边港口奥西片科（今别尔江斯克）方向实施向心突击，围歼苏军南方面军，尔后沿亚速海北岸向罗斯托夫发展进攻，从南面迂回顿巴斯。第17集团军分为南北两路，南路从克拉斯诺格勒地域，向伏罗希洛夫格勒方向实施突击，从北面进攻顿巴斯。
在北面哈尔科夫方向的进攻部署是：第17集团军北路从波尔塔瓦地域向哈尔科夫方向突击；第6集团军从普肖尔河一线出发，经别尔哥罗德向巴甫洛夫斯克方向发起进攻，从北面迂回哈尔科夫。
在顿巴斯方向，担任主要突击任务的是克莱斯勒指挥的德军第1装甲集群，他们从南方集团军群战线的中路出发，在夺取第聂伯罗彼得罗夫斯克后，向东南方向突击400多公里，预计在亚速海北岸奥西片科（今天的别尔江斯克港）与曼施坦因指挥的第11集团军和罗马尼亚第3集团军会合，作战目的是将还有一定实力的苏军南方面军主力围歼。完成上述任务后，第1装甲集群再挥戈东进，与中路施蒂姆纳格尔指挥的第17集团军南北夹击顿巴斯。
9月26日，克莱斯特的第1装甲集群从集结地区出发，3天后，他们向第聂伯罗彼得罗夫斯克苏军第12集团军进攻，并迅速突破了苏军的防线。10月4日，夺取苏军后方铁路枢纽扎波罗热。
曼施坦因的第11集团军的左翼第49山地军此时也从克莱斯特的南面出动，企图和克莱斯特的部队先将苏军合围。不过，苏军察觉出德军的企图，迅速命令第12集团军后撤，避免了再一次被包围。
合围企图落空后，克莱斯特的装甲部队继续向东南突进，至10月7日已经顺利推进至奥西片科以北地域，并于当天夺取了这座兵力空虚的港口城市。曼施坦因的右翼部队第30军则从梅利托波尔地域向东，与第1装甲集群会合。由于克莱斯特的推进速度太快，苏军第18和第9集团军的6个师此时还没有来得及后撤，被德军合围在奥西片科西北地域，其中包括第18集团军司令员斯米尔诺夫中将。
在包围圈中，斯米尔诺夫将部队组织成一个战斗单元，由自己统一指挥。但德军于8日袭击了他的指挥部所在地，为了挡住德军，第18集团军炮兵指挥官提托罗夫少将指挥一个高射炮连射击冲过来的大群德军步兵。战斗持续了大约7个小时，大部分炮手都已战死，提托罗夫本人便亲自操纵火炮射击，直到被德军的重炮炸死为止。
集团军司令员斯米尔诺夫中将也在这天死于德军的炮火，他的尸体被德国人掩埋，并且在坟墓前竖立了一块板子，上面铭刻着的俄文、德文、罗马尼亚文，要求德国士兵们也要像坟墓中这个俄国人一样勇敢战斗。在苏德战场上，德军的这种行为极为罕见。
至10月10日，奥西片科西北地域合围战结束，苏军被俘约10.6万人，损失坦克212辆、火炮766门。
在包围圈外，科尔帕克奇指挥第18集团军残部后撤。在亚速海沿岸部署的苏军第9集团军也在慌乱中后撤，落在后面的集团军指挥部成员被党卫军第1装甲师（希特勒师）全部俘虏。
肃清包围圈内的苏军后，曼施坦因的第11集团军一部奉命南下进攻克里米亚半岛，另一部则同克莱斯特的第1装甲集群继续向顿巴斯方向推进，他们的下一个目的地是顿涅茨州首府斯大林诺。
为了便于指挥，德军最高统帅部将克莱斯特的第1装甲集群改为第1坦克集团军，除原来的部队外，将第11集团军所属的第49山地军、意大利的1个军和一部分空降部队编入新组建的第1装甲集团军。
此后，克莱斯特分两路，右翼仍然以第3和第14装甲军为主，沿着亚速海岸向东突进；左路包括屈布勒指挥的第49山地军和意大利的部队。
在第1装甲集团军的北面，德军第17集团军和他们一道行动，该集团军在这段时间也有人事变动，集团军司令已经换成了霍特，此前担任集团军司令的施蒂普纳格尔因为和陆军总司