Німецька армія окупувала Київ 19 вересня 1941 року і з наступного дня спеціальні підрозділи СС почали підготовку виконання наказу Гітлера про знищення усіх євреїв і радянських офіційних осіб.

Перший розстріл відбувся 27 вересня — були знищені 752 пацієнта психіатричної лікарні ім. Івана Павлова, яка знаходилась поблизу Бабиного Яру. Цього ж дня німецьким комендантом міста було видано наказ усім євреям разом з речами з'явитись 29 вересня з документами і цінними речами в збірний пункт біля Бабиного Яру для евакуації.

Зранку 29 вересня 1941 року понад 30 тисяч євреїв прибули на північну околицю Києва невеликими групами. Їх розстрілювали по 30-40 чоловік і скидали в рів. Після того як він наповнювався 2-3 рядами тіл, мертвих присипали землею. За два дні у Бабиному Яру зондеркомандою 4а під командуванням штандартенфюрера Пауля Блобеля і за підтримки двох підрозділів полку поліції «Південь» було розстріляно 33 771 чоловік (не рахуючи дітей до 3-х років, яких розстрілювали, але не рахували). Наступні розстріли євреїв відбулись 1, 2, 8 і 11 жовтня 1941 року.

Під час гітлерівської окупації м. Києва у 1941–1943 роках Бабин Яр став місцем масових розстрілів окупантами мирного населення і радянських військовополонених, передовсім – євреїв та циган (за етнічною ознакою), а також партійних та радянських активістів, підпільників, членів Організації Українських Націоналістів  (переважно членів ОУН А.Мельника), заручників, „саботажників”, порушників комендантської години та інших осіб. Було розстріляно 621 члена Організації українських націоналістів, 100 матросів Дніпровського загону Пінської воєнної флотилії, знищено 5 циганських таборів.

За оцінками, за три роки у Бабиному Яру було розстріляно від 70 000 до 200 000 чоловік. Крім того, у Сирецькому концтаборі, де утримувались колишні комуністичні активісти, підпільники і військовополонені, за роки війни загинуло більше 25 тисяч осіб. Коли почався відступ німецької армії з території СРСР, нацисти намагались сховати сліди злочинів - їм вдалось ексгумувати частину тіл і спалити їх, але залишились численні свідки і криміналістичні докази розстрілів мирного населення Києва.

Встановлено, що страти у Бабиному Яру почалися 27 вересня 1941 р. – розстрілу піддавалися єврейські сім’ї, політпрацівники Червоної Армії, співробітники НКВС, затримані підпільники та ніші громадяни. Масові розстріли у Бабиному Ярі проводилися до звільнення Києва від окупації проводилися до звільнення Києва від окупації. Одночасно людей знищували у розташованому поруч із Бабиним Яром Сирецькому концтаборі (до 25 тис. жертв).

Серед каральних акцій у Бабиному Яру найбільші відомі:

– 29 та 30 вересня 1941 р. розстріляли близько 34 тисячі євреїв та громадян інших національностей (членів сімей тощо). Відповідно до статистичних даних окупаційної адміністрації, до 9 листопада 1941 р. чисельність розстріляних євреїв перевищила 55 тис.

–10 січня 1942 року страчено близько 100 матросів і командирів Дніпровського загону Пінської військової флотилії;

– у 1942–1943 рр. розстріляно понад 600 членів ОУН.

На сьогодні найбільш достовірною цифрою жертв Бабиного Яру вважається та, що оприлюднена на Нюрнберзькому процесі над головними військовими злочинцями – близько 100 тисяч осіб (згідно висновків спеціальної державної комісії для розслідування нацистських злочинів під час окупації Києва).

Постановою Кабінету Міністрів України від 1 березня 2007 р. № 308 „Про Державний історико-меморіальний заповідник „Бабин Яр” з метою вшанування та увічнення пам’яті жертв війни і політичних репресій створений Національний історико-меморіальний заповідник „Бабин Яр”.