И неудивительно, ведь к этому времени 17-я армия имела приказ наступать на Полтаву, получив поддержку боевых частей 5-го авиакорпуса. Эти части вновь и вновь атаковали сосредоточившиеся в том районе советские войска. Авиакорпус использовал новый боевой порядок частей и навязал противнику новое направление оборонительного фронта. Его дивизии вынуждены были отходить в район Харьков — Ахтырка в рассеянном боевом порядке. Они оставили в Полтаве несколько своих частей.
С 12 сентября улучшились погодные условия, и воздушная разведка уточнила данные по крупным скоплениям отступающего противника из района Прилук, напротив линии Лубны— Лохвица — Ромны. В тот же день генерал-фельдмаршал Рундштедт приказал осуществлять «неустанное преследование по всему фронту».
Одновременно с этим авиачасти совершали многократные боевые вылеты, прежде всего на железнодорожную ветку Конотоп — Рыльск на севере и Лубны — Полтава на юге, в районе приобретающего свои очертания котла.
14 сентября немногочисленные немецкие истребители сбили 44 русских самолета. Бомбардировщики 5-го авиакорпуса к этому моменту уничтожили 560 грузовиков и 3 танка, повредили 267 грузовиков. Было повреждено и частично уничтожено 17 поездов. Прервано движение на пяти железнодорожных линиях. Авиационные базы в Харькове и Полтаве выведены из строя бомбовыми ударами, и ряд самолетов уничтожен на земле.
Маршал Буденный попросил у Сталина разрешения отступить. Он получил категорический отказ и был отозван. Его место занял маршал Семен Тимошенко.
Несмотря на драконовские меры, он не оказался в состоянии настроить войска Южного фронта на решительное сопротивление. Кольцо окружения вот-вот должно было сомкнуться, что позволяло немецкой авиации, и в частности штурмовикам, с близкого расстояния наносить удары по скоплениям противника и его транспортным колоннам, причиняя им большие потери.
В этой обстановке все подразделения 4-го воздушного флота страдали от постоянной нехватки горючего. Дело доходило до того, что 16 и 17 сентября на боевое задание смогло вылететь только несколько бомбардировщиков. Особенно сильно это затронуло 5-й авиакорпус, который вновь и вновь просил своевременной доставки горючего.
18 сентября 6-я армия начала наступление на восток. Ее 29-й армейский корпус должен был занять Киев и местную цитадель. Для этого было необходимо совершить прорыв через глубокоэшелонированную систему обороны. До наступления пехоты люфтваффе должны были разбомбить укрепления цитадели. Генерал артиллерии Фриц Бранд, который должен был координировать боевые действия армейской артиллерии, заявил, что он хочет, чтобы Киев лежал в руинах и пепле, и попросил люфтваффе взять на себя половину этой задачи.
Для этого 5-й авиакорпус перебросил III./StG77 и III./JG52 в Белую Церковь. С той поры обе группы непрерывно совершали налеты на Киев. Бомбардировке подвергались крепостные сооружения и артиллерийские позиции. Благодаря этому армейским частям удалось войти в город и 19 сентября захватить его. Продолжала держаться только цитадель. Пикирующие бомбардировщики попытались сломить этот последний очаг сопротивления. После долгих и упорных налетов им удалось обессилить противника. Поздно вечером 25 сентября последнее сопротивление было сломлено. Однако мосты через Днепр в Киеве были взорваны, и переправляться через них было невозможно.
В заключительном докладе главнокомандования вермахта от 27 сентября 1941 г. говорилось: «В ходе тесного взаимодействия армии и люфтваффе в результате проведенных операций было взято в плен 665 000 человек, уничтожено 884 танка, 3718 орудий и не поддающееся счету количество военного имущества».
Для группы армий «Юг» эта победа стала значительным тактическим успехом. На русском Южном фронте образовалась брешь шириной 400 км. Но общий итог оказался неутешительным. Несколько недель боев за Киев замедлили последнее наступление под кодовым названием «Тайфун» — штурм русской столицы, поставили под вопрос быстрое завершение кампании еще в 1941 г. и в конце концов сорвали его.
Те войсковые части Красной армии, которым в последние ночи удалось вырваться из котла и начать отход маршем на восток, 29 сентября подверглись серьезному удару. Только в этот день частями воздушного флота было уничтожено 4920 транспортных средств противника.
В своем резюме об успехе 4-го воздушного флота к югу от Киева генерал-лейтенант Плохер выделил шесть пунктов: