Через 17 дней после начала германо-польской войны в 6 часов утра Красная армия крупными силами (21 стрелковая и 13 кавалерийских дивизий, 16 танковых и 2 моторизованные бригады, всего 618 тысяч человек и 4.733 танка) перешла советско-польскую границу на протяжении от Полоцка до Каменец-Подольска. В СССР операцию называли «освободительным походом», в современной России нейтрально именуют «польским походом». Часть историков считает 17 сентября датой фактического вступления Советского Союза во Вторую Мировую войну.

Оправдывая нарушение советско-польского договора о ненападении от 25 июля 1932 года (в 1937-м его действие было продлено до 1945-го), советская сторона утверждала, что польское государство фактически перестало существовать. «Германо-польская война явно показала внутреннее банкротство польского государства. Тем самым прекратили своё действие договора, заключённые между СССР и Польшей», – говорилось в ноте, вручённой вызванному в НКИД 17 сентября польскому послу Вацлаву Гжибовскому заместителем наркома иностранных дел Владимиром Потёмкиным.

Гжибовский ответил: «Суверенность государства существует, пока бьются солдаты регулярной армии. Наполеон вошёл в Москву, но, пока существовала армия Кутузова, считали, что Россия существует. Куда же подевалась славянская солидарность?». Советские власти хотели арестовать Гжибовского и его сотрудников. Польских дипломатов спас германский посол Вернер фон Шуленбург, напомнивший новым союзникам про Женевскую конвенцию.

Сталинское правительство заявило, что «берёт под свою защиту жизнь и имущество украинского и белорусского населения восточных областей Польши и выдвинет свои войска для защиты их от немецкой агрессии». Дата вступления СССР на территорию соседней страны была выбрана именно такой, чтобы успеть ещё до капитуляции. Поскольку в противном случае ни о каких «освобождениях» западных территорий не могло бы уже быть и речи. Немцы бы всё к рукам прибрали. Да и оправдать подобное «вступление» уже никак не получилось бы.

Тезис о защите украинцев и белорусов, как объяснение причины нападения Красной армии на Польшу, был официально представлен советской стороной всему миру и населению СССР уже в сентябре 1939 года в качестве главной причины. Однако Гитлер выразил через немецкого посла Шуленбурга решительное несогласие с такой «антигерманской формулировкой». Молотов ответил послу: «Советское правительство, к сожалению, не видит какого-либо другого предлога, чтобы оправдать за границей своё теперешнее вмешательство. Просим, принимая во внимание сложную для Советского правительства ситуацию, не позволять подобным пустякам вставать на нашем пути».

19 сентября Красная армия овладевает Вильно, 20 сентября – Гродно и Львовом. Высокопоставленный чекист Павел Судоплатов, прибывший во Львов сразу после его занятия Красной армией, писал в воспоминаниях: «Атмосфера была разительно непохожа на положение дел в советской части Украины. Процветал западный капиталистический образ жизни, оптовая и розничная торговля находились в руках частников, которых предстояло вскоре ликвидировать».

Когда в белорусском местечке Скидаль была установлена «рабоче-крестьянская советская власть», местная голытьба почувствовала себя хозяином положения по образцу России 1917—1921 годов. В течение 22 и 23 сентября здесь были застрелены, растерзаны и забиты в результате самосудной расправы 42 человека из числа бывших польских легионеров-осадников. А на территории Западной Украины в общей сложности было убито около 1 тысячи поляков.

Польский гарнизон Брестской крепости во главе с генералом Константином Плисовским отбил все атаки, а немецкая артиллерия застряла под Варшавой. Подсобили немцам советские тяжёлые орудия, обстреливавшие цитадель в течение двух суток. Затем, 22 сентября, в Бресте состоялся совместный парад, который с германской стороны принимал вскоре ставший хорошо известным советским людям Хейнц Гудериан, а с советской – комбриг Семён Кривошеин.