Учитывая сложившуюся обстановку, Военный совет Юго-Западного направления принял решение об оставлении Киева и выводе войск Юго-Западного фронта из окружения.
Только в 23 часа 40 минут 17 сентября Ставка Верховного Главнокомандования разрешила оставить Киев. Глубокой ночью с 17 на 18 сентября генерал М. П. Кирпонос отдал приказ армиям фронта выходить с боями из окружения. Командование 37-й армии, оборонявшей непосредственно Киев, к этому времени потеряло связь со штабом фронта и приказа об оставлении города и выходе из окружения не получило. Бойцы и командиры 37-й армии, а также ополченцы продолжали сражаться в первой полосе укрепленного района на подступах к Киеву с запада и юга.
Ночью и на рассвете 21 сентября советские войска после 74-дневной обороны столицы Украины оставили последний район Киева — Дарницу. В вечернем сообщении Советское Информбюро передало: «В течение 21 сентября наши войска вели бои с противником на всем фронте. После многодневных ожесточенных боев найти войска оставили Киев». Но и после этого защитники Киева вели бои в восточных районах Киевской области еще до конца сентября. Таким образом, киевское сражение продолжалось в целом 83 дня.
Тяжелое поражение и большие потерн, понесенные войсками Юго-Западного фронта на завершающем этапе Киевского сражения, значительно ухудшили и без того сложную для Красной Армии общую обстановку на советско-германском фронте. Были потеряны Киев и часть Левобережной Украины. Для противника открылась возможность развивать наступление в глубь Левобережной Украины, на Харьков и Донбасс и перебрасывать значительные силы на московское направление. Ставка Верховного Главнокомандования вынуждена была для восстановления Юго-Западного фронта выделить драгоценные резервы.
Последствия были трагические. После ликвидации под Уманью двух окруженных советских армий немецкие танковые группы замкнули под Полтавой кольцо вокруг основных сил фронта генерала Кирпоноса. В плен попало около 660 тыс. чел., из них 60 тыс. командиров. При попытке вырваться из окружения погибли командующий фронтом М. Кирпонос, секретарь ЦК КП(б) В. М. Бурмистенко, группа генералов.
Но даже это тяжелое поражение нисколько не умаляет огромного значения обороны столицы Украины.
Героическая оборона столицы Советской Украины имела огромное военно-стратегическое значение. Упорные и длительные бои под Киевом, как и оборона других советских городов, принудили гитлеровское командование изменить первоначальные тщательно продуманные планы войны. Но главное заключалось в том, что в этих оборонительных сражениях, в самый тяжелый период Отечественной войны, Красная Армия, несмотря на серьезные неудачи и вынужденное отступление, изматывала и обескровливала противника, перемалывала его кадровые части, уничтожала боевую технику, подрывала его дальнейшие наступательные возможности, выигрывая необходимое время для мобилизации сил советского народа на борьбу против фашистских захватчиков. Вес это создало необходимые условия для последующего перехода советских войск в стратегическое контрнаступление.
За время боев под Киевом летом 1941 года войска фашистской Германии только на рубежах Киевского укрепленного района потеря ли более 100 тысяч солдат и офицеров, около 200 самолетов и сотни танков. Ожесточенные бои на киевском направлении не только причинили огромный урон врагу, но и задержали его продвижение вперед на восток более чем на два с половиной месяца. Выйдя на ближние подступы к Киеву 9 июля 1941 года, немецко-фашистские войска сумели полностью овладеть городом лишь после длительных ожесточенных боев 21 сентября, когда советские войска, в связи с создавшейся на других участках фронта обстановкой, по приказу командования отошли на новые позиции.
Оборона столицы Украины отвлекла крупные силы противника, наступавшие па западном стратегическом направлении, и оказала большое влияние на исход сражения под Москвой, а также на срыв немецко-фашистских планов «молниеносной войны» против Советского Союза. Об этом свидетельствуют и высказывания гитлеровских генералов. Киев, который героически защищался в течение июля — сентября 1941 года, был центром активных боев войск Юго-Западного фронта, ядром и базой стойкой обороны Красной Армии на линии среднего течения Днепра, опасным для неприятеля плацдармом советских войск на Правобережной Украине, угрожавшим правому флангу его центральной группировки. Это принудило гитлеровское командование перебросить крупные силы с московского направления и других участков фронта в район Киева; на завершающем этапе Киевской битвы оно стянуло сюда до 70 дивизий. Все это содействовало срыву стратегических планов гитлеровского командования, рассчитывавшего окончить войну против Советского Союза до зимы.