Hoffenheims Andrej Kramaric gjorde bägge målen. Först nickade han in Luka Modrics precisa inlägg, där denne fått två chanser, efter en dryg timme och kort därefter löpte han på den bortre stolpen och vinklade in 2-0. Det var Kramarics första mål i VM-kvalet.
Från bänken kunde den nye förbundskaptenen Zlatko Dalic räkna in en vinst efter blott tre dagar på jobbet.
Ukrainas coach, den förre superstjärnan Andrej Sjevtjenko, visade inga känslor när buropen fyllde Olympiastadion vid slutsignalen.
Serbien går som väntat till VM efter 1–0 mot Georgien. Inhopparen Aleksandar Prijovic gjorde målet i den 74:e minuten.