9月中旬，战役重点转移到西南战区的乌克兰。此时，优势的德军已开始在基辅地区形成对苏西南方面军的合围。西南战区司令布琼尼元帅请求斯大林准予他撤退。斯大林不准，要求死守基辅地区，并撤消了布琼尼元帅西南战区司令的职务，转令铁木辛哥元帅接任。
9月13日，铁木辛哥接管了全乌克兰苏军部队的指挥权。他立即发现德军已形成合围，局势已无法挽回。他立即派出西南方面军参谋长图皮科夫少将飞抵莫斯科，面见斯大林，坚决要求将部队撤出基辅地区。斯大林仍严令坚守基辅地区。
9月16日，铁木辛哥发现德军对西南方面军的合围已经闭合，即下令第四十、第三十八集团军，及第二、第五独立骑兵军从东面发起进攻，以求割裂德军合围正面，击退德军装甲兵团。
苏军坚决执行了铁木辛哥的命令，但未能成功。与此同时，铁木辛哥再次坚决要求最高统帅部准予西南方面军全线突围，撤出基辅地区。次日凌晨，斯大林同意苏军突围，但为时已晚，西南方面军各部已被德军分割包围。
铁木辛哥集合各部不惜一切代价突围、并尽其所能地组织了几次较大规模的突围行动。由于指挥系统已遭破坏，难以集中大量兵力，几次突围均未成功。但是仍有15万官兵突出德军重围。
基辅会战，苏西南方面军几乎全军覆没，损失52万人，但为保卫莫斯科赢得了宝贵的时间。
基辅会战结束后，西南战区司令铁木辛哥立即重新组建了西南方面军司令部，自己兼任方面军司令员，同时迅速重建了西南方面军。这时西南战区的战事集中在顿巴斯地区。为加强铁木辛哥的力量，最高统帅部将南方面军交由他指挥。
1941年11月，德国南方集团军群企图经罗斯托夫向北高加索实施突击，对罗斯托夫威胁最大的是其第一装甲集团军，该集团军的司令是陆军元帅克莱斯特。为解除威胁并阻止德军突向北高加索，铁木辛哥主张用所辖的南方面军发动进攻战役以歼灭罗斯托夫方向的德军，得到最高统帅部批准。
11月5日拂晓，德军对苏军步兵第一三六、三十、一五〇师配置地点实施了猛烈的航空兵和炮兵突击，阵地上烟火冲天。随后，克莱斯特就令坦克和摩托化步兵前进。德军的坦克纵队不仅占领了所有道路，而且占领了道路间的间隙地。
可是，它们刚接近苏军第一三六师阵地，被炮弹和炸弹打坏的掩体就仿佛复活了：步枪的射击汇成了齐射，机枪的长点射使德军步兵成群倒下。迫击炮和火炮也一齐开火。随后，苏军坦克从翼侧猛冲出来。德军退下去了。在瓦西连科中校的步兵第一三六师阵地前，有29辆德军坦克被烧毁。
但是，德军70辆坦克终于在近15时楔入苏军步兵第一三六师防御。11月6日，第一三六师和坦克第一三二旅被德军切断了与第九集团军其余兵力的联系，退到了季亚科沃地域。
11月7日晚，铁木辛哥判断情况后得出结论，克莱斯特集团军的进攻正在减弱，德军在逐渐衰竭。
不久，这一预测就应验了：克莱斯特军队减弱了攻击，苏军第九集团军各兵团的态势明显稳定了。他们退过昆德留奇亚河并接近新沙赫京斯克市后，便设防固守，充满信心地抗击德军的冲击。
这天，在中断联系很久后，铁木辛哥又同突围成功的布良斯克方面军司令部建立了通信联络。布良斯克方面军参谋长扎哈罗夫少将谈了方面军和莫斯科附近的战况，说明了德军的特点。扎哈罗夫希望布良斯克方面军和西南方面军之间建立较密切的协同，请求从季姆市地域派出第四十集团军的一个加强支队，以便同第十三集团军近卫步兵第二师建立牢固的联系。
铁木辛哥同意调一个支队来保障同布良斯克方面军的接合部，但同时要求建立两方面军之间更经常和密切的联络，建议互派联络军官。扎哈罗夫欣然同意。这样，在同布良斯克方面军中断联络几乎一个月后，终于又同它重新建立了经常的通信联络和协同，从而极大地巩固了莫斯科方向作战军队左翼的态势。
11月9日，铁木辛哥同切列维琴科将军联系，命令他加紧进攻准备，并且只能依靠他所拥有的和答应从西南方面军调给他的那些兵力兵器。切列维琴科回答，他和他的司令部正加紧进行战役准备。
11月12日，南方集团军参谋长安东诺夫将军把未来进攻战役计划送总司令批准。预定以重建的第三十七集团军全部兵力，第九集团军一部和第十八集团军一部自11月16日晨起向巴甫洛夫卡镇至大克列平斯卡亚以至塔甘罗格这一总方向实施主要突击。目的是与独立第五十六集团军协同，消灭克莱斯特坦克集团军主力，南方面军前出到米乌斯河。
整个战役拟分三个阶段实施：11月11至15日——集中突击集团和进行战役准备；11月16至19日——转入进攻，粉碎克莱斯特集团军楔入第九集团军配置的一个集团，前出到图兹洛夫河一线；11月20至22日——发展既得胜利，前出到米乌斯河一线。
方面军突击集群的第三十七集团军应成两个梯队进攻，第一梯队有4个步兵师和一些坦克旅；第二梯队有2个步兵师。霍伦将军的骑兵军和内务人民委员部的一个旅配置在第三十七集团军后面。
计划包括了战役组织、准备和实施的一切问题，并且反映了铁木辛哥的基本要求：进攻应完全出乎德军意料之外；新集团军应配置在预计克莱斯特可能恢复冲击的地段；至迟于11月16日开始进攻，以便先发制敌，并通过对克莱斯特集团军实施突击，帮助防守罗斯托夫的第五十六集团军；应使进攻的军队在情况一旦发生急剧变化时能够毫不费力地转向任何方向。
铁木辛哥批准了这一计划。
在进攻前夕，德军庞大兵力却开始迂回西南方面军北翼，铁木辛哥意识到，如果德军的阴谋得逞，西南方面军与莫斯科作战军队有被隔绝的危险。
铁木辛哥立即命令派2列装甲列车、1个工程兵营、1个反坦克炮兵团、52辆坦克和64架飞机去加强第三集团军。他还决定向大本营求助，虽然他知道莫斯科的处境也十分困难，但没有别的办法。因为西方面军和西南方面军接合部如出意外，可能会使莫斯科保卫者的处境更加困难。
虽然此时第三集团军在叶夫列莫夫失守后已阻住德军的进攻，但其暴露的右翼遭到深远迂回，却使铁木辛哥深感不安。因此，他在准备发给斯大林的一份电报中，力图强调西方向和西南方向接合部的威胁正在增大。
电报说：“在图拉附近受阻的敌军察明布良斯克方面军第三集团军中的薄弱点后，沿公路向叶夫列莫夫发起进攻，兵力为两个步兵师和一个坦克师，正迫使第三集团军后退。”
铁木辛哥在开列了他决定用来加强第三集团军的那些兵力兵器后说，他已经什么都无法再给了。
电报发出不到两小时，最高统帅就通过沙波什尼科夫元帅进行了答复，从答复中知道，大本营目前只能拨出步兵第二三九师来加强第三集团军，该师正仓卒开赴该集团军右翼，以便对德军迂回部队实施反冲击。
铁木辛哥同南方面军司令员进行了联络，问是否做好了进攻的一切准备。切列维琴科报告，军队不可能在11月16日开始实施战役。许多部队和兵团，其中包括坦克第三旅和反坦克炮兵第五五八团，都来不及集中。调来参加进攻的军队未能全部获得冬季的服装，也使事情变得复杂化。
铁木辛哥不同意那样拖延，他要求切列维琴科采取最坚决的措施，以便如期发起进攻。他认为，如果不在各卸载站耽搁，那么第一梯队的所有兵团都是来得及到达出发地域的，还应该竭尽全力保证人们穿上暖和的服装。元帅通知将拨给20辆完好坦克加强坦克第三旅后，答应切列维琴科将于11月16日中午到他那里进一步明确一切问题。
由于担心克莱斯特可能随时对南方面军左翼实施新的突击，铁木辛哥最后说：“您转告哈里托诺夫：他要坚守战线两天——一步也不许后退。否则我对他的看法就会彻底变坏。您把坦克给他。”
11月16日，铁木辛哥在一些将军和军官的陪同下到达卡缅斯克-沙赫京斯基南方面军司令部。
“你们为什么还没有转入进攻？”这是铁木辛哥在会见时向方面军司令员提的第一个问题。
方面军司令员报告，并不是第一梯队的所有军队都来得及占领出发地位。在第三十七集团军，总共只有一个坦克旅开到指定地点。天气又很坏——雨雾弥漫，云层很低，连一架作战飞机都无法升空。
切列维琴科接着说，今天早上第十二集团军司令员科罗捷耶夫将军报告：德军已在顿巴斯转入进攻。但科罗捷耶夫没有预备队。很难预见那里的情形会是怎样。
铁木辛哥也明白，情况确实不很有利，因此他不动声色地听完了方面军司令员的理由。可是他责备地说：
“时间不等人哪，切列维琴科同志。您在想往后会更容易些？我们不能等待克莱斯特恢复元气来打我们。到那时，进攻就晚了，又只好去进行抵抗了……”
铁木辛哥听取了方面军司令员的汇报，又布置了任务后，对会议作了总结：“同志们，这样的话，你们现在没有任何充分理由推延进攻。明天早上八点钟，最迟九点钟，你们就开始吧。”
11月17日9时40分，第三十七集团军司令员报告：“在30分钟炮火准备后，步兵第九十六、二五三、九十九、五十一师在坦克第三、一三二旅支援下开始冲击。”
铁木辛哥全神贯注于罗斯托夫进攻的进展，所以暂时不再过问北翼的态势，而派自己的副手去那里。
进攻第一日未能取得预期战果。第十二集团军司令员报告，德军在步兵第十五、二三〇师接合部楔入苏军防御约15公里后，正继续向五一城推进。贝奇科夫斯基骑兵军和由方面军预备队转隶的步兵第二一八师尚未到达突破地域。因此处境仍然是危险的。
铁木辛哥命令切列维琴科向各集团军司令员转达以下要求：从11月18日晨起，加强猛攻，日终前不是像计划规定的那样进至左图兹洛夫河，而是要深远得多，进至米列罗沃、杰尼索沃-阿列克谢耶夫卡、巴里洛-克列平斯卡亚一线，以便突入德军摩托化第十四军后方。
第二天，交战进程还是不明朗：进攻的军队一路进行苦战，前进缓慢，并在德军已作好防御准备的一些居民地旁长时间受阻。
这时，突入大萨雷的德军坦克并未在夜间被消灭。早上，有一个坦克群已向罗斯托夫北郊急进，另一个则向在该市以西防守的各师后方急进。
战斗越来越激烈。无论是铁木辛哥还是南方面军司令员都开始确信，需要采取最坚决的步骤才能使进攻过程出现转折。
铁木辛哥决定改变骑兵军的任务：将其撤至米列罗沃、杰尼索夫斯基、杰尼索沃-阿列克谢耶夫卡地域，并且加强一个坦克旅，令其向东面巴里洛-克列平斯卡亚前进。第九集团军骑兵第六十六师和坦克第一四二旅应与骑兵军对进，向德军实施突击。这些兵力一旦进至德军摩托化第十四军部队后方，必将使该军遭歼。铁木辛哥还命令将步兵第二九五师调到第十八、三十七集团军接合部，以保障骑兵免受来自西面的突击。
11月19日，铁木辛哥的企图开始实现了。在第三十七集团军右翼进入交战的骑兵军和步兵第二九五师，一边摧破德军的顽抗，一边向前推进，迂回到季亚科沃和沿纳戈利纳亚河防守的德军部队后方。
这天步兵第九十六师部队打得很艰苦。其右翼步兵第二〇九团打退了德军每次都有20辆左右坦克参加的3次反冲击。在争夺皮萨纳亚高地战斗中，沙特罗夫斯基中尉炮兵连的炮手们英勇作战，推出火炮实施直接瞄准射击，承受着16辆坦克的突击，击毁了其中9辆。
德军第十四军地带防御开始崩溃，并未使克莱斯特清醒过来。他继续疯狂扑向罗斯托夫。为了切断苏军列梅佐夫将军所部退路，克莱斯特于11月20日向阿克赛斯卡亚镇、罗斯托夫北郊和红戈罗德萨德投入了3个大的坦克群，在损失了三分之一战斗车辆后，终于突入罗斯托夫市。火车站落入德军摩托化步兵手中。
法西斯最高统帅部力图牵制苏军各预备队，并以此减轻克莱斯特夺取罗斯托夫的困难。为此，德军在其他地段也加大攻击力度。11月19日，德军夺取了季姆市，继续向五一城猛扑。而且，在西方面军与莫斯科接合部的猛攻也开始加强。这就迫使铁木辛哥暂时让切列维琴科将军全面负责继续进攻，自己则返回西南方面军司令部。
11月21日16时，第五十六集团军司令员列梅佐夫将军报告，他的军队已放弃罗斯托夫市，履冰到达顿河南岸。铁木辛哥用拳头猛捶了一下桌子说道：“我们要给克莱斯特一点厉害看看了！”
铁木辛哥决心在罗斯托夫城把克莱斯特全部歼灭。他担心德军清醒后弃城西逃，便命令切列维琴科将军把第三十七集团军全部兵力调往大克列平斯卡亚，加速南下。同时，苏军大本营也给列梅佐夫新派来3个步兵师和3个步兵旅。
克莱斯特攻占罗斯托夫，使希特勒异常高兴，法西斯军事当局向全世界吹嘘了自己的“新的伟大胜利”。无论是希特勒大本营，还是德国陆军总参谋部都深信，克莱斯特战绩辉煌。
11月22日早上5点多钟，莫斯科给铁木辛哥发来一份电报指出：罗斯托夫失守并未改变南方面军的任务，它应向塔甘罗格加紧猛攻。莫斯科正确判断了情况，也预料克莱斯特会急忙跳出陷阱。
德军夺占罗斯托夫的消息，激起了苏军战士的愤怒。他们英勇顽强地向前猛冲。11月22日，切列维琴科报告，德军忍受不住苏军的猛攻，遗弃重武器和技术装备，正向南溃退。
可是一切迹象表明，克莱斯特并不打算放弃罗斯托夫。
铁木辛哥命令，苏军进至图兹洛夫河，从那里向罗斯托夫突击。加强了坦克的霍伦将军骑兵军，则被调往塔甘罗格，与第十八集团军部队一起沿米乌斯河占领防御，掩护向罗斯托夫进攻的军队，使其免遭西面德军的突击。
克莱斯特终于坚持不住了。他开始从罗斯托夫地域将两个坦克师调往西北，迎击11月23日日终前进抵图兹洛夫河的第三十七、九集团军所属进攻军队。第三十七集团军右翼在古比雪沃以东15公里处中断，接着，战线便沿图兹洛夫河一直延伸到大克列平斯卡亚。全部3个坦克旅都集中在大克列平斯卡亚及其以北地域。在左面，第九集团军各师沿图兹洛夫河一直展开到卡缅内布罗德。
进攻结果表明，第三十七、九集团军在前六天战斗中已击溃克莱斯特的3个摩托化步兵团，击毁54辆坦克、50多门火炮和约250辆汽车。
从11月25日起，整个南线出现了相对的沉寂。双方都准备再战。切列维琴科将军把第九、三十七集团军调向罗斯托夫，德军则从市内调一部分师来迎击它们，并用新的预备队加强克莱斯特军队最薄弱的左翼。苏军发现，在摩托化第一师后，德军很快又有1个坦克师和2个以上步兵师开到了。
11月26日晚，铁木辛哥率西南方面军一些将军和军官飞到了切列维琴科的指挥所。
铁木辛哥一边和南方面军司令员打招呼，一边大声说：“如果我们行动这样迟缓，克莱斯特要从我们这儿溜走的！间歇太长了，战争中的迟缓是要用鲜血来偿付的……您的突击集团当面察明了哪些兵力？”他走近摊在桌子上的地图问。
切列维琴科报告，第九、三十七集团军将主要力量集中于斯托亚诺夫、格涅拉利斯科耶、布琼尼一线后，将于次日早晨8点转入进攻，总方向是恰尔特里；第五十六集团军由科兹洛夫将军指挥的军队集群将由顿河左岸向那里进攻；第三十七集团军经格涅拉利斯科耶向苏丹萨雷和罗斯托夫以西实施主要突击，第九集团军则经大萨雷向该市北郊实施突击。
11月27日的早晨来到了。新雪在有点干枯的秋草上晶莹洁白，就像盐沼地的白盐一样。苏军于上午9时发起了攻击。天很冷，能见度相当高。在开阔地进攻的散兵线，老远就能看得一清二楚。
德军用猛烈的火炮和迫击炮拼命抵抗，炮弹爆炸的轰响被俯冲轰炸机的呼啸声淹没了。德军把坦克和摩托化步兵投入反冲击，进行着垂死挣扎。
进攻像计划所规定的那样从四面实施。第五十六集团军部队急忙履顿河薄冰进攻罗斯托夫，以便从东面与第九、三十七集团军会合。由杰明中校指挥的内务人民委员部第二三〇团和以一个厂长瓦尔福洛梅耶夫为首的罗斯托夫民兵团最先冲入市内。步兵第三四三、三四七师先遣营也从其他方向进入该市。双方展开了激烈的巷战。黑夜和早晨相继到来，但战斗却没有停止。到进攻第二日天黑前，克莱斯特各师开始仓皇放弃罗斯托夫。苏军转入迅猛追击。
11月29日，苏军收复罗斯托夫。
斯大林闻讯，立即给铁木辛哥和切列维琴科发来贺电：
我祝贺你们战胜了敌人，从法西斯德国侵略者手中解放了罗斯托夫……
南方面军在这次进攻战役中取得巨大胜利，缴获德军154辆坦克、8辆装甲运兵车、244门火炮、93门迫击炮、1455辆汽车，以及各种技术兵器。此役不仅使德坦克第一集团军和“南方”集团军群的其他一些部队遭到重创，而且在罗斯托夫附近牵制了该集团军群的几乎全部兵力，使德军统帅部指望由这些部队加强在莫斯科附近德军的企图落空。
苏西南战区代理参谋长巴格拉米扬后来在《战争是这样开始的》一书中写道：
我军在罗斯托夫取得胜利的捷报使举国一片欢腾。各加盟共和国劳动者和其他集团军官兵纷纷给胜利者发去了贺电贺信。
法西斯德军在罗斯托夫附近的失败，使希特勒如坐针毡。这一失败，除具有巨大军事意义外（法西斯在南部的计划破产），还使希特勒分子受到精神上的沉重打击，它正好发生在他们集中力量最后扑向莫斯科的关头，而忽然间德军在罗斯托夫附近溃败了。这一事件自然远远不能对继续向莫斯科冲击的部队起鼓舞作用。法西斯军事机器的骄傲——克莱斯特坦克第一集团军被打败了。
这个集团军曾像毁灭性龙卷风似地席卷过波兰、比利时和法国的大地，后来又疾驰在巴尔干的道路上。它是在一片溢美声中威风凛凛地进入苏维埃乌克兰的。它在弗拉基米尔、沃伦斯基附近开始入侵后，就在乌克兰横行肆虐，所过之处无不留下斑斑血迹和无数灰烬。西南方面军和南方面军曾给它许多创伤，但是这个坦克集团军在逼近罗斯托夫时还是强大可畏的。
而现在，自它存在以来第一次遭到了法西斯宣传机构声称已不存在的军队的打击，彻底溃败了。