С началом войны уже в июле 1941 года Киевский особый военный округ был преобразован в Юго-Западный фронт. Оставаясь в должности начальника оперативного управления — заместителя начальника штаба этого фронта, Баграмян в ходе Львовско-Черновицкой (июнь — июль) стратегической оборонительной операции участвовал в организации первых крупных контрударов советских мехкорпусов в районе Дубно, Ровно и Луцка, где в районе государственной границы произошло одноимённое танковое сражение. Однако отразить удар противника в приграничном сражении советским войскам не удалось. 6 июля 1941 года немецкая 1-я танковая группа Клейста с ходу прорвала линию укреплений и ДОТов на старой государственной границе, где советское командование рассчитывало создать прочную оборону и стабилизировать линию фронта. Оборонительная операция в Западной Украине завершилась поражением советских войск. Были оставлены Северная Буковина в Румынии и Западная Украина, часть Прикарпатской Украины, противник вышел к Киеву.