Несмотря на героизм советских воинов, операция завершилась полным провалом, и даже катастрофой — СССР лишился 4-х армий, потерял мощные укрепрайоны и столицу Украины — Киев. Для немцев была открыта дорога на Харьков, Донбасс, в Крым. Вместе с тем, задержка в полтора месяца сорвала планы «молниеносной войны» Гитлера, а отвлечение значительных сил с московского направления дало возможность хорошо подготовиться к обороне столицы СССР. Оценка успешности Киевской операции неоднозначна даже среди германского командования, тот же Гейнц Гудериан называл её «крупным тактическим успехом», и в то же время — причиной «стратегической неудачи» под Москвой в декабре 1941 года.