В ночь на 19 сентября 1941 года советские войска оставили Киев. Вскоре в столицу Украины вступили немецкие части. Первыми в город вошли разведывательные и штурмовые подразделения вермахта.
Произошло это около полудня, с двух сторон одновременно (со стороны улицы Красноармейской и с Подола) и немцы, не встречая сопротивления, к вечеру заняли весь город.
Оккупация Киева продолжалась 778 дней. За это время фашисты убили в городе до 200 тысяч человек, еще 100 тысяч были вывезены в Германию на принудительные работы. Казни евреев, цыган, коммунистов, подпольщиков, заложников, военнопленных, священников в Бабьем Яру продолжались на протяжении всего периода оккупации. Тысячи гибли от голода и холода в концлагерях.
В период оккупации немецкие войска использовали Бабий Яр как место массовых расстрелов. Первый расстрел произошёл 27 сентября 1941 года — были расстреляны 752 пациента психиатрической больницы им. Ивана Павлова, которая находилась в непосредственной близости к оврагу.
А уже 29-30 сентября 1941 года фашисты расстреляли в этом овраге более 33 000 человек, преимущественно евреев, которых немцы обманом заставили собраться в месте расстрела под предлогом переселения.
По разным подсчётам, в Бабьем Яру в период с 1941 по 1943 гг. было расстреляно до 200 000 человек.
В сентябре 1941 года немецкой администрацией был создан Дарницкий концентрационный лагерь для военнопленных, именуемый с января 1942 года Stalag 339 Kiew-Darniza. Лагерь занимал площадь около 1,5 квадратных километров и был огорожен колючей проволокой, натянутой на росшие там сосны на высоте 3,5–4 метра. Сюда направлялась основная часть военнопленных, попавших в «Киевский котел». Евреи и комиссары отфильтровывались как на пути в лагерь, так и в самом лагере, и расстреливались. Всего за время войны через Дарницкий лагерь прошло около 300 тысяч военнопленных, из которых 68 тысяч погибли или были убиты.
В Киеве действовали и подпольщики, проводившие настоящие диверсии. Большая часть подполья города занималась пропагандой, распространением информации о реальной ситуации на фронтах и саботажем работ по восстановлению немцами промышленности (прежде всего военной направленности). Другая часть групп подпольщиков, сформированная из сотрудников НКВД, занималась сбором и передачей в Москву информации, проведением терактов и актов возмездия. Наиболее известной среди них является разведывательно-диверсионная группа Ивана Кудри («Максима»).
Члены этой и других групп передали по радио своему руководству информацию о размещении немецких штабов, офицерских гостиниц, складов и учреждений в зданиях на Крещатике. Группа провела и несколько дерзких акций – уже в конце сентября 1941 года была подорвана немецкая военная комендатура, позже – кинотеатр, в котором проводился киносеанс для немецких офицеров и солдат. Осуществлялись теракты на Дарницком железнодорожном узле, на предприятиях города, создавались партизанские диверсионные группы.
Активно работали подпольщики и на железной дороге – так, 1 мая 1942 года на перегоне Киев-Жмеринка пошел под откос эшелон с войсками и боеприпасами. Кроме того, Ивану Кудре удалось добыть информацию о создании киевского разведывательного пункта Абвера – группа поселила своего агента в доме, соседствовавшем со зданием, где немцы готовили к заброске в советский тыл своих агентов из числа коллаборационистов. 5 июля 1942 года Иван Кудря, его агент – оперная певица Раиса Окипная, а также целый ряд других подпольщиков были арестованы и расстреляны. Точные обстоятельства смерти Кудри неизвестны, известно лишь то, что на допросах он не сломался, и об остальных членах его группы гестапо ничего узнать не удалось.
До начала войны население Киева составляло приблизительно 900 тысяч человек. Но в ноябре 1943 года освободителей встречало лишь 180 тысяч человек. Около 200 тысяч киевлян были мобилизованы в армию и ушли на фронт – подавляющее их большинство погибло. Еще 325–350 тысяч человек эвакуировались вместе с предприятиями и организациями столицы. Через пять месяцев после начала оккупации, в 1942 году, в Киеве практически не осталось трудоспособного населения. На принудительные работы в Германию было вывезено более 100 тысяч человек – многие из них так и не вернулись. Десятки тысяч людей погибли от голода и холода, попали в число убитых во время чисток по национальному признаку или были расстреляны как заложники.
Освобожден город был 6 ноября 1943 года войсками 1-го Украинского фронта (генерал армии Н.Ф. Ватутин) в ходе Киевской наступательной операции.