7 września 5. Armia była zagrożona rozcięciem na dwie części przez niemiecką 2. Armię nadciągającą ze wschodu i przez oskrzydlenie 6. Armii na północ od Kijowa. Stawka odmówiła początkowo odwrotu 5. Armii, ponieważ cały czas oczekiwała dobrego wyniku kontrataku Frontu Briańskiego. 9 września Stalin wydał ostatecznie rozkaz nakazujący 5. Armii wycofanie się, jednak w tym samym czasie została ona okrążona i 20 września generał Potapow i jego sztab dostali się do niewoliErickson, 2003, s. 206–210.. W wyniszczającej bitwie niemieckie wojska okrążyły siły 5., 21., 26. i 37. Armii, zdobywając Kijów i biorąc do niewoli 665 000 żołnierzy radzieckich (radzieckie źródła podają, że liczebność wojsk Frontu Południowo-Zachodniego wynosiła 677 000 żołnierzy). Z okrążenia wydostało się 150 000 żołnierzy.
Moskwa 5. Armia została na nowo sformowana po raz drugi w październiku 1941 roku, pod dowództwem Dmitrija Leluszenki, jako część radzieckiego Frontu Zachodniego. Najnowsze źródła podają datę utworzenia po raz drugi tej armii w dniu 11 października 1941 rokuTłumaczenie Pereczena przez https://web.archive.org/web/20110203054736/http://rkkaww2.armchairgeneral.com/formations.htm .. W jej skład wchodziły dwie dywizje strzeleckie i trzy brygady pancerne.