1941. aasta juunis, operatsiooni Barbarossa käivitamisel, juhtis Kleist 1. Panzergrupi, mis oli osa armeegrupist Lõuna, mille ülesandeks oli vallutada Moldova ja Ukraina, ja saavutas edu sissetungi algfaasis, edenedes sügavale Ukrainasse. 1. Panzergrupp murdis läbi Stalini liini, seejärel purustas Brody lahingus Nõukogude 5. ja 6. armee viis mehhaniseeritud korpust.
(23.-30. juuni 1941). 1941. aasta juulis Umani lahingu ajal murdis 1. pansarrühm läbi Nõukogude Lõunafrondi ridade, mis viis Nõukogude 6. ja 12. armee ümbritsemiseni ja hävitamiseni Uman linnast (praeguses Tšerkassi oblastis) kagus. 1941. aasta augustist septembrini toimunud esimese Kiievi lahingu ajal tõi 1. pansergrupi pöörde Põhja-Ukrainast koos 2. pansergrupi edasiminekuga Smolenskist lõunasse kaasa kogu Nõukogude Lõuna-Lääne-Frondi ümbritsemise ja hävitamise Kiievist idas, põhjustades Punasele Armeele üle 600 000 kaotuse. Kuid sõjakäik oli olnud kulukas, sest tol ajal oli Saksa vägede tankidel vaid pooled tankidest, mis neil olid kolm kuud varem.