C 19 сентября 1941 г. до 6 ноября 1943 г. столица советской Украины находилась под нацистской оккупацией. В январе 1944 г. сюда вернулись республиканские руководящие учреждения. Численность населения города в конце 1943 г. составляла 180 тыс., в 1945 г. - 470 тыс.

Вторая мировая война обернулась для Киева рядом трагических событий, бессчетными человеческими потерями и материальными убытками.

На рассвете 22 июня 1941 на Киев упали немецкие бомбы, повлекши первых жертв и разрушения. В тот же день армии нацистской Германии и ее союзников пересекли западную государственную границу СССР. Группа армий Юг под командованием генерал-фельдмаршала фон Рундштедта, которая действовала на украинском направлении (состояла из трех немецких и двух румынских армий), а также танковой группы и межкорпуса венгерской армии. Ей противостояли 80 дивизий Киевского и Одесского округов, которые развернулись в первый день войны соответственно в Юго-западный фронт (ЮЗФ) и Южный фронт. За объявленной мобилизацией к действующая армия пополнилась около 200 тысячами киевлян.

Фронт быстро приближался к Киеву. 1 июля 1941 г. началась эвакуация больших промышленных объектов военного значения, учреждений, специалистов, членов семей советского командного, партийного и НКВД-ского состава.

Завод Транссигнал был демонтирован и загружен в вагоны за четверо суток. Фабрику Киевволокно демонтировали за восемь суток. Из Ленинской кузницы за 11 суток было отправлено свыше 500 вагонов разного оборудования. К началу сентября 1941 г. эвакуировали 197 больших предприятий, 32 высших и средних специальных учебных заведений, научно-исследовательские институты. В целом на эвакуацию выехало 335 тысяч киевлян. Спешно началось возобновление фортификационных сооружений, дополняемых противотанковыми рвами, эскарпами, шанцами, деревоземляными огневыми точками. На этих работах ежедневно работали десятки тысяч киевлян и крестьян пригородной полосы - временами под враждебным обстрелом с земли и воздуха. Кроме первой линии обороны, была создана вторая и третья линии. 11 июля передовые части немецкой 6-й армии вышли на рубеж реки Ирпень. Началась героическая 73-дневная оборона Киева от немецких войск (официальное название - Киевская оборонная операция июля - сентября 1941).

Немцы не смогли войти в Киев с востока. Однако в начале сентября они прорвали фронт к северу от города и захватив Чернигов, форсировав Днепр ниже Киева (возле Кременчуга) начали продвигаться на Полтаву. Создалась угроза окружения войск ЮЗФ, но Ставка Верховного главнокомандования и лично Сталин не позволяли оставить Киев. 15 сентября четыре армии очутились в котле. Поражение Красной армии было грандиозным: в плен попало свыше 665 тысяч бойцов и командиров. Немцы захватили огромные военные трофеи: 884 единицы бронетехники, 3718 пушек и тому подобное. Командующий Северо-Западным фронтом генерал Михаил Кирпонос, по официальной версии, застрелился в окружении. По советским данным, немцы потеряли в боях под Киевом 100 тысяч воинов. Длительная задержка немцев под Киевом, как считается, остановила значительные силы для дальнейшего продвижения к востоку, сорвала наступление на Москву.
19 сентября части Вермахта вошли в оставленный на произвол судьбы Киев. Началась оккупация столицы Украины, которая длилась 778 дней. Это время обернулось для Киева и киевлян многочисленными трагедиями, которые происходили уже в первые дни оккупации. 24 сентября начались взрывы и пожар Крещатика и прилегающих кварталов центра - от действия предварительно заложенной советскими саперами и органами НКВД радиоуправляемой взрывчатки. 29 и 30 сентября состоялось уничтожение евреев в Бабьем яру. Только за эти два дня, согласно немецким данным, там погибли 33 771 жертвы геноцида. Были уничтожены также цыгане.

В городе возобладал жестокий оккупационный режим. За диверсионные акции советского подполья оккупанты расстреливали сотни киевлян-заложников, согласно с приказами коменданта города генерала Эбергарда. Городская управа, которую возглавляли Александр Оглоблин, Владимир Багазий, Леонтий Форостивский, пыталась перестраивать мирную жизнь, но все зависело от оккупантов.

3 ноября был взорван Успенский собор Киево-Печерской лавры (существует несколько версий относительно организаторов взрыва, однако достоверных сведений нет). Десятки тысяч военнопленных и других жертв своеволия оккупантов погибали в созданных нацистами концентрационных лагерях: Дарницком - свыше 68 тысяч, Сырецком - свыше 25 тысяч. Полиция безопасности, которая находилась на ул. Владимирской, 33, (сейчас здание Службы безопасности Украины) разоблачили и уничтожили разветвленное большевистское подполье. В застенках погибли Владимир Кудряшов, Виктор и Александра Хохлови, Иван Кудря, Татьяна Маркус, Раиса Окипна и другие подпольщики. Также оккупанты раскрыли и расправились с украинскими патриотами: в начале оккупации действовала Культурная референтура ОУН, выходил украинский журнал "Литаври" (в этом издании принимала участие Елена Телига). На принудительные работы в Германию из Киева было отправлено свыше 100 тысяч молодежи.

В Киеве под надзором немцев действовали отдельные предприятия (на которых подполье неоднократно прибегало к актам саботажа), процветала рыночная торговля. В городе были в обращении немецкие райхсмарки и специально напечатанные в Ровно оккупационные карбованцы. Открылись театры, кинематографы, рестораны (однако на много из них были предупреждение "Только для немцев"). Происходили даже спортивные соревнования (одним из таких событий считается матч между футболистами-киевлянами и командой немецких зенитчиков в летом 1942 г., который советская пропаганда мифологизировала в т. зв. "матч смерти").

В конце оккупации Киева населения города составляло около 180 тысяч.

С началом наступления на Киев советских войск оккупанты объявили 26 сентября 1943 г. "боевой зоной" (за 3 км от Днепра на запад, за пребывание в которой угрожал расстрел). Командование Воронежского (впоследствии - и Украинского) фронтов пыталось развить успех форсированием Днепра к югу от Киева и созданием Букринского плацдарма. Но при этом не были учтены крайне неблагоприятные условия для наступления на правом берегу и пришлось срочно исправлять ошибку. Так возникло новое направление главного удара – Лютижский плацдарм - к северу от Киева. Стремление любой ценой сделать "подарок родине" - освободить Киев именно к дежурной "юбилейной" годовщине октябрьского переворота в 1917 г. привел к огромным человеческим потерям: освобождение Киева советскими войсками "к дате" стоило жизни 417 тысячам бойцов и командиров Красной армии. В начале ноября 1943 г., в преддверие отступления, немецкие оккупанты начали жечь Киев. В ночь на 6 ноября 1943 г. передовые части Красной армии, преодолевая сопротивление немцев, вступили в почти пустой пылающий город. Киев был освобожден из-под оккупации. Он находился в ужасном состоянии. Были разрушены 940 домов государственных и общественных учреждений площадью свыше 1 млн. кв.м, 1 742 коммунальных дома жилой площадью свыше 1 млн. кв.м, 3,6 тыс. частных домов площадью к полмиллиона кв.м; уничтожены все мосты через Днепр, выведены из строя водогон, канализация, транспортное хозяйство.

На протяжении ноября и декабря положение Киева было еще неуверенным. Продолжались бои за Житомир, враждебная авиация поддавала Киев бомбардировкам. Лишь в январе 1944 г. к столице УССР вернулись руководящие государственные и партийные учреждения. В то же время возобновлялась работа предприятий, учебных и культурных заведений, которые возвращались из эвакуации. Заявки на оборудование и материалы, необходимые для восстановления киевских объектов, рассматривались во всех общесоюзных ведомствах и чаще всего удовлетворялись. За первые два месяца восстановительных работ вступили в строй 100 предприятий, в том числе наибольшие: Ленинская кузница, Большевик, им. Артема. Они сразу начинали производить продукцию для фронта. За 1943-1945 гг. были отстроены 552 тыс. кв. м. жилья.
Были разобраны и разминированы руины в центре города. В августе 1944 г. разрушенным Крещатиком было проведено перед киевлянами 40 тысяч немецких военнопленных. Значительная часть жителей еще жила в руинах и подвалах, а между тем было объявлено о начале конкурса на проектирование нового Крещатика, о будущем строительстве метрополитена. Город медленно вступал в мирную жизнь. В память об обороне и освобождении Киева, о 778 днях ужасной оккупации остались многочисленные достопримечательности и мемориалы, созданные в послевоенное время.