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L'invasion est programmée depuis longtemps et pour la mener à bien, les Allemands ont entraîné des unités de collaborateurs recrutés parmi les nationalistes et les opposants ukrainiens, lituaniens, lettons et biélorusses.
Hitler considère l'invasion de l'URSS comme faisant partie intégrante de son projet de doter la nation allemande d’un « espace vital » (Lebensraum) et comme une opportunité d’éradiquer le communisme qu'il a en horreur. Il ordonne donc à ses commandants militaires de soumettre les intellectuels et les « Commissaires » (officiers politiques qui accompagnaient l'Armée rouge) à des traitements cruels. Fruit de son inspiration, l'« Ordre des commissaires » définit le traitement devant être réservé à ces derniers, ainsi qu'aux Juifs, dans les territoires soviétiques.
Au cours des premières semaines de l'invasion, les femmes et les enfants juifs sont abattus au hasard, mais à partir de la mi-août, les massacres s'étendent pour inclure tous les Juifs. Cette politique se concrétise suite à la visite d'Hitler sur le front et à la conclusion que la solution territoriale du problème juif est impraticable, conclusion qui ouvre la voie au massacre systématique des Juifs. Les femmes et les enfants juifs sont définis comme des « consommateurs sans valeur » ne pouvant pas servir de main d'œuvre.
Quatre groupes d'intervention (Einsatzgruppen) – A, B, C, et D – opèrent derrière les forces qui prennent part à la campagne contre l'URSS. Ces unités sont composées de SS, de policiers et d'auxiliaires recrutés parmi la population locale.
Des centaines de milliers de Juifs parviennent à fuir vers des régions plus reculées d'URSS, mais près de deux millions de Juifs demeurent dans les territoires occupés par les nazis et la plupart sont victimes de meurtres de masse. Au cours de l'année 1941, en l'espace de moins de six mois, près d'un demi-million de Juifs sont ainsi assassinés dans les régions d'Union soviétique conquises par les nazis.
Les massacres ont généralement lieu dans des forêts, des vallées et des bâtiments abandonnés à proximité du domicile des victimes. On contraint les Juifs à se déshabiller et à déposer leurs objets de valeur non loin des fosses communes. Ils sont conduits par groupes jusqu'à ces fosses avant d'être abattus. Beaucoup sont enterrés vivants.
En septembre 1941, les membres de l'Einsatzgruppe C assassinent en l’espace de deux jours à Babi Yar, 33 771 Juifs originaires de Kiev. Babi Yar devient aussi un lieu d'exécution de masse pour les Sinti et les Roms (Tsiganes) ainsi que les prisonniers de guerre soviétiques. Ponar, une forêt située à une dizaine de kilomètres au sud de Vilna, devient le théâtre du massacre de dizaines de milliers de Juifs. De juillet 1941 à juillet 1944, plus de 70 000 personnes, des Juifs pour la plupart, sont assassinées à Ponar.
A partir de novembre 1941, des Juifs et d'autres victimes du régime nazi (prisonniers de guerre soviétiques, partisans, otages et autres) sont assassinés dans la forêt de Blagovshchina, près du village de Maly Trostinets, au sud-est de Minsk. Des Juifs du ghetto de Minsk, au nombre de 100 000 environ, sont les premiers à y être exécutés. A partir de mai 1942, on y conduit des Juifs d'Allemagne, de Bohême et de Moravie, de Pologne et des Pays-Bas pour les mettre à mort. Certains sont assassinés dans des camions à gaz, les autres abattus. Les victimes sont ensevelies dans des fosses creusées au préalable. D'après différentes estimations, entre 206 500 et un demi-million de personnes ont été assassinées dans la région de Trostinets.
Fin 1941, les Allemands réalisent qu'ils ne vaincront pas l'Union soviétique dans le cadre d'une guerre éclair comme ils l'avaient prévu. L'armée allemande a besoin de main d'œuvre pour paver les routes, déminer et produire armes et équipement. Il est donc décidé de laisser temporairement la vie sauve aux prisonniers juifs, dans des camps et des ghettos, afin de les exploiter au service de l'effort de guerre allemand. Au printemps 1942, l'extermination reprend avec une intensité nouvelle. Lorsque vient l'hiver 1943, la majorité des Juifs de Biélorussie et près de la moitié des 2,5 millions de Juifs d'Ukraine ont déjà été assassinés.