9月3日，德国外长里宾特洛甫致电苏联外长莫洛托夫，建议苏联军队进入波兰东部地区。
9月17日，当德国第19军团攻陷布列斯特-利托夫斯克的时候，苏联军队开进了波兰。苏联的这一行动不仅完全出乎波兰人的意料，而且也让德国军队大为吃惊。因为他们都还对8月23日签订《苏德互不侵犯条约》中的秘密条款一无所知（秘密条款中详细说明了一旦发生对波兰的战争，两国将如何处理波兰等问题）。德国考虑波兰可能会在苏联控制下的东部地区建立某种形式上的政权，这样，波兰除东部以外的地区就部处在德国的控制之下了。苏联起初并不知道德国何时入侵波兰，所以对德军进攻的惊人速度颇感意外。但是斯大林想要确保苏联对波兰东部的控制，并在德国占领的波兰和苏联领土之间建立一块缓冲地带。莫洛托夫奉命告知里宾特洛甫说，苏联将在有充足军队可以部署的情况下进入波兰，而这一天就是1939年9月17日。
苏联进入波兰的部队分为两个方面类似于集团军的部队，总共有20多个步兵师，15个骑兵师和9个坦克旅组成。白俄罗斯方面军由陆军司令科瓦廖夫率领4支小部队组成，任务是占据从布列斯特一利托夫斯克以北到立陶宛边界的波兰领土；乌克兰方面军由陆军司令铁木辛哥率领3个军，它的任务是进入普里皮亚特河以南的波兰领土，其中利沃夫是它夺取的目标。在乌克兰方面军最南面的一支部队是第12军，这是一支机械化部队，它的任务是阻拦企图撤退到南面罗马尼亚和匈牙利安全地带的波兰军队。驻守东部的波兰军队仅由国民自卫队、边防警备部队和一小部分预备役骑兵组成。
起初，波兰军队还以为苏联红军是来帮助他们的，尤其是他们看到苏军避免与波兰军队发生直接冲突。但是随着苏联红军向波兰内地深入，有些苏联机械化先头部队在头两天就已深入波兰境内100公里了，形势也就趋于明朗化了：红军所到之处，波兰军队都被俘获，然后很快被解除武装，如果遇波军抵抗，就会随时爆发战斗。
苏军落井下石的进入无疑使已经面临绝境的波军最高指挥部雪上加霜。苏军到达利沃夫右侧，波军在该地建立任何形式的桥头阵地的可能性已不复存在。因此，波军最高指挥部命令所有军队撤退到匈牙利党和罗马尼亚，越过德国进攻部队，杀出一条血路来；但面对苏联军队，最高指挥部的命令是，除非被苏军阻拦，否则就尽量悄悄绕过他们的部队。9月17日，波兰总统和政府官员，连同斯密格莱·利兹都逃往了罗马尼亚。鉴于罗波两国从前存在友好关系，很多波兰人跑到罗马尼亚寻求战争避难。但就在第二天，由于德国通过外交手段向罗马尼亚施加了强大压力，逃往罗马尼亚的波兰难民纷纷遭到拘留或被遣送回国。
苏联红军进入波兰东部的突然行动给德军带来了一些特殊难题。《苏德互不侵犯条约》规定苏德两国将沿纳雷河-维斯拉河-散河一线分治波兰，因此苏联红军进入波兰后，就告知德军应撤离到该线以西的地区。但9月17日，大多数德军还在该线以东忙于肃清波兰剩下的反抗部队。但如果此时撤离，波兰军队就有机会撤退到匈牙利和罗马尼亚寻求避难。
苏联红军突然侵入所带来的另一个深层的问题就是让两国的士兵很难区分敌友。在很多场合，德军和苏军相互开火，造成了双方人员伤亡。但是，这样的事件相对而言还是比较少的。一般说来，德军的撤退是一项井然有序的行动，而且苏、德两国军队之间还存在一定程度的友善关系，在两国的宣传资料中也记载了许多这样的事件。例如，9月22日，在布列斯特-利托夫斯克，德、苏两国装甲部队联合游行之后，立刻举行了由两军最高指挥官古德里安将军和克里沃斯基将军参加的宴会。
对于驻守波兰南部的德国第14集团军来说，执行撤退决定可能会遇到一定的难度，因为该集团军肩负着阻止波兰军队大批涌往匈牙利和罗马尼亚的重任。9月10日，德军围攻了古城普热梅希尔（直到9月11日才出）。与此同时，第14集团军的大部正向利沃夫（此地为波军反抗的最后一个重点地区）推进。9月12日，德军第1山地师抵达该市，但它们遇到了波军的顽强反抗，德军因此不得不采取一项有限军事攻击。赞伯斯克高地俯临利沃夫，9月13日，德军发起猛烈进攻，力图占领这一关键阵地。次日，利沃夫即被包围。
9月20日，德军对利沃夫的包围仍在进行。此时，龙德施泰特下令第14集团军放弃占领利沃夫，将其交给苏联红军处理，并向西移动以做休整。然而，出乎德军意料的是，利沃夫并没有落到苏军手中。就在德军打算撤离的时候，守卫利沃夫的波兰部队戏剧性地突然向德军投降了。
当德国第14集团军向西撤退的时候，它们遭遇了向南行进的波兰军队。双方发生了几次交战，但大量波兰军队绕过德国军队，撤退到了安全地带。据斯维克茨基上校（他在当时的战斗中是一名波军炮兵军官，后来成为波兰军队的史学家）的叙述，当时约有6万波兰军队抵达了匈牙利，3万人越过边境到了罗马尼亚在北方，还有15000人的军队到达了波罗的海沿岸的立陶宛。
后来这些逃亡的军人大部分都去了法国，他们在那里又组建了一支新编波兰军队。这些波兰军队饱尝了战败和亡国的痛苦，这种痛苦伴随着他们直到二战结束。当时在波德斯加·乌尔伦旅任团长的陆军中校吉勒茨基记述了他在9月19日进入匈牙利的情景：
“在一个秋天的上午，我们穿过秀美的山区，踏上了外国的土地。队伍中的气氛不胜悲哀。我手下的副团长斯大诺茨基少校公然抽泣起来。我们行进了数个钟头都没有见到一个人。在穿过峡谷，前往韦什库夫茨基的路上，到处都是翻倒的车辆和烧掉的文件。骑摩托车到前方探路的团副官回来报告说，前面好几公里的路上都没有人。当我们走到高边境只有很短一段距离的时候，遇到了一队前进的人群和几百辆汽车，再往前是一些山峰和峡谷，然后我们就到边境了。一位热情的匈牙利陆军少校走上来打招呼，他还让我们转告那些长枪骑兵们，他们将在匈牙利过上自在的生活”。
德军从波兰东部撤退以后，德国第3、第10和第8集团军可以全力对付尚未被占领地区的波军反抗。面对德军的强大攻势，波兰依旧固守不降，从库特诺战役中突出重围的波兰军队加强了对首都华沙的防卫。
到9月15日，德国第10集团军和第3集团军分别从南方和北方包围了波兰首都，但是希特勒和德军统帅部都不想对防御坚固的华沙发动全面的进攻，因为那将势必导致德军大量人员伤亡。9月16日，德军在华沙散发传单，要求波军投降，并派第3集团军司令部的一名代表接受波军的投降，但波兰人断然拒绝了这一要求，因此，德军开始对华沙实施轰炸。