Когда фронт подошёл вплотную к Ленинграду, командование Северо-Западного направления было упразднено. К. Е. Ворошилов стал командующим Ленинградским фронтом, а ранее возглавлявший фронт М. М. Попов — начальником штаба фронта.

За день до начала боёв на земле немецкая авиация обрушилась на Ленинград. Удары по крупным городам стали своего рода «визитной карточкой» VIII авиакорпуса фон Рихтгоффена. В августе 1942 г. такой же жестокой бомбардировке подвергнется Сталинград. Бомбардировки Ленинграда продолжались до 11 сентября, и за это время было сброшено 8000 зажигательных бомб. Вследствие бомбардировок сгорели Бадаевские склады, где сгорело несколько тысяч тонн муки и сахара. Сгоревших запасов хватило бы в лучшем случае на несколько дней, но впоследствии появилась легенда, что пожар Бадаевских складов уничтожил большую часть запасов продовольствия.

Наступление группы армий «Север» началось во вторник, 9 сентября в 9.30 утра. Из-за сильного тумана первые полтора часа атаки авиационная поддержка отсутствовала. Бомбардировщики 1-го воздушного флота появились над полем боя только в 11.00 утра. Наступавшая в первом эшелоне XXXXI корпуса Рейнгардта 36-я моторизованная дивизия прорвала оборону 3-й ДНО и продвинулась к концу дня на 10 км в глубину обороны советских войск. Уже 10 сентября введённая в бой 1-я танковая дивизия достигла дороги Красное Село — Красногвардейск, выйдя в тыл Красногвардейскому УРу. 6-я танковая дивизия была втянута в тяжёлые бои за Красное Село. Когда определилось направление главного удара, Ворошилов усилил 42-ю армию 500-м полком 10 сентября, 1-й бригадой морской пехоты 12 сентября и 5-й ДНО в тот же день. Корпус Рейнгардта упорно пробивался вперёд, заняв 11 сентября Дудергоф и 12 сентября Красное Село. Ситуация была близка к критической: XXXXI моторизованный корпус уже обошёл Красногвардейский УР и двигался к Пушкину, выходя на тылы 55-й армии.

Однако развивать первоначальный успех своего наступления Гепнеру было уже нечем. 8-я танковая дивизия восстанавливалась после августовских боёв и не могла быть немедленно использована для удара на Пушкин. XXXIX моторизованный корпус был скован боями с 54-й армией Г. И. Кулика и не мог принять участие в окружении войск 42-й и 55-й армий. Более того, корпус Шмидта находился на грани кризиса и по согласованию с Гальдером фон Лееб принял решение направить 8-ю танковую дивизию на выручку XXXIX корпусу. Кроме того, наступление корпусов 4-й танковой группы началось неодновременно. L армейский корпус был все ещё скован боями с окружёнными в лужском «котле» советскими частями и не мог поддержать атаку XXXI корпуса. Наконец, у задуманных Гепнером «канн» отсутствовала вторая «клешня» — XXVIII армейский корпус был остановлен обороной 168-й стрелковой дивизии.

Пока командование группы армий «Север» лихорадочно искало резервы, в руководстве Ленинградского фронта начались кадровые перестановки. Вечером 11 сентября директивой Ставки ВГК маршал К. Е. Ворошилов освобождался от обязанностей командующего фронтом, а на его место назначался генерал армии Г. К. Жуков. Судя по всему, решение это зрело по крайней мере с начала сентября. Ещё 1 сентября И. В. Сталин в письменной форме высказал неудовольствие действиями командования Ленфронта, и в тот же день его секретарь Поскребышев в телефонном разговоре с Г. К. Жуковым интересовался, может ли командующий Резервным фронтом выехать в Москву. К. Е. Ворошилов, в свою очередь, сам просил И. В. Сталина заменить его «кем-нибудь помоложе».

Г. К. Жуков вместе со своей «командой», сложившейся ещё на Халхин-Голе — И. И. Федюнинским и М. С. Хозиным, — вылетел в Ленинград утром 13 сентября. В тот же день немецкое наступление продолжилось на новом качественном уровне — к наступавшему на Пушкин корпусу Рейнгардта присоединился XXXVIII армейский корпус 18-й армии Кюхлера. 1-я, 58-я и 291-я пехотные дивизии этого корпуса начали наступление на левом фланге 4-й танковой группы, позволяя последней разворачиваться далее на Пушкин. Эта мера оказалась весьма своевременной, т.к. советское командование организовало контрудар во фланг вбитому в оборону 42-й армии клину силами вывезенной из Таллина 10-й стрелковой дивизии генерал-майора И. И. Фадеева. Дивизия была пополнена и 14 сентября нанесла удар с позиции на стыке 8-й и 42-й армий. Первоначально 10-я стрелковая дивизия продвинулась на 3-4 км, но далее наступление XXXVIII армейского корпуса отбросило её назад. Уже 16 сентября XXXVIII корпус вышел к Финскому заливу на фронте шириной 4-5 км, и 8-я армия оказалась изолированной от основных сил Ленфронта.

Прибытие Г. К. Жукова сразу же привело к кадровым перестановкам в обороняющих Ленинград армиях. Командующим 8-й армией вместо генерал-майора В. И. Щербакова стал генерал-лейтенант Т. И. Шевалдин. Во главе 42-й армии Жуковым был поставлен привезённый с собой И. И. Федюнинский. Ф. С. Иванов был отстранён и впоследствии арестован.

Отсчёт времени до момента снятия 4-й танковой группы с фронта уже пошёл на часы, поэтому немецкое командование прилагало все усилия для выполнения поставленных задач до погрузки людей и техники танковых и моторизованных дивизий в эшелоны. XXXXI моторизованный корпус был усилен переброшенной с красногвардейского направления дивизией СС «Полицай» и 58-й пехотной дивизией из состава 18-й армии. Приближение к Ленинграду также вводило наступающие немецкие части в радиус действия корабельной артиллерии Балтийского флота. В устье реки Невы и в гаванях торгового порта заняли огневые позиции линкор «Марат», крейсеры «Максим Горький» и «Петропавловск», лидер «Ленинград», эсминцы «Опытный» и «Сметливый». Из Кронштадтской группы кораблей вышли на позиции линкор «Октябрьская революция», крейсер «Киров», лидер «Минск», эсминцы «Сильный», «Суровый», «Свирепый», «Славный», «Стойкий», «Гордый» и «Стерегущий». Они могли обрушить на наступающих огонь двадцати четырех орудий калибра 305-мм линкоров, четырех 203-мм орудий крейсера «Петропавловск» (немецкой постройки), восемнадцати 180-мм пушек крейсеров советской постройки, более полусотни 130-мм орудий эсминцев и лидеров. Немецкой пехоте и танкам предстояло идти в атаку под огнём орудий, поднимавшим столбы земли размером в дом. По распоряжению Жукова на прямую наводку были поставлены зенитки ПВО Ленинграда. Концентрация артиллерии вполне отвечала директиве Г. К. Жукова: «Перемолоть противника артиллерийским, миномётным огнём и авиацией, не допустив прорыва нашей обороны».

17 сентября наступающие захватили Пушкин, и солдаты 1-й танковой дивизии вышли к конечной остановке ленинградского трамвая — немецкие танки стояли всего в 12 км от центра города. Однако времени на продвижение к городу и разгром 42-й армии уже не оставалось: соединения 4-й танковой группы снимались с фронта и отправлялись в тыл для погрузки в эшелоны или формирования маршевых колонн. Фронт покидали XXXXI моторизованный корпус вместе со штабом 4-й танковой группы.

Дальнейшие боевые действия к югу от Ленинграда носили характер выпадов той и другой стороны тактического значения. Оставшийся «без работы» VIII авиакорпус был перенацелен на корабли Краснознамённого Балтийского флота. В двадцатых числах сентября 1941 г. Ю-87 2-й эскадры пикирующих бомбардировщиков произвели несколько налётов на корабли КБФ. 21 сентября немецкие лётчики добились попадания в линкор «Октябрьская революция», находившийся в Морском канале. 23 сентября было достигнуто попадание в линкор «Марат», стоявший в Петровской гавани в Кронштадте, приведшее к взрыву носового погреба и посадке сильно повреждённого корабля на грунт. Помимо «Марата» был потоплен переживший Таллинский переход лидер «Минск». К 26 сентября линия фронта под Ленинградом стабилизировалась и оставалась практически неизменной до прорыва блокады в январе 1943 г.