21 сентября между Германией и СССР был подписан протокол, зафиксировавший порядок и временные параметры отхода немецких войск на запад до установленной днём раньше демаркационной линии по рекам Писса, Нарев, Висла, Сан. Во исполнение его в этот же день советским войскам был передан приказ наркома обороны, предусматривавший, в частности:
Были случаи боевого взаимодействия советских и германских частей с целью разгрома крупных группировок польских войск, в частности грубешовской группировки, новогрудской бригады генерала В. Андерса. В результате этого был преграждён отход к румынской границе частей полковника Й. Зеленевского.
В целом в течение двенадцати дней боевых действий Красная Армия преодолела линию на глубину от 250 до 350 км, заняв территорию общей площадью 190 тысяч кв. км, с населением в 12 миллионов человек. В советско-польских боях погибло с польской стороны около 3,5 тысячи военных и гражданских лиц, около 20 тысяч были ранены или пропали без вести. Советская сторона официально объявила о 737 убитых и 1862 раненых со своей стороны, о чём было сказано в выступлении Молотова 31 октября 1939 г.
Недостаточно чёткий приказ главнокомандующего Польской армии, а также отсутствие единой линии по отношению к советским частям там, где этот приказ не был получен, привели к массовому захвату в плен польских солдат и офицеров. Они не находились под охраной Женевской конвенции о военнопленных, поскольку СССР её не подписывал.
Согласно военным сводкам Красной Армии, публиковавшимся во время
Объявленное 2 ноября 1939 г. советской стороной число захваченных в плен польских солдат и офицеров в 300 тысяч представляется завышенным. По данным советских архивов, в плен были взяты 240–250 тысяч, в том числе около 10 тысяч офицеров. Так, в обзоре, подводившем итоги похода в Западную Украину с 17 по 30 сентября, указывалось, что 5-я армия под командованием И. Советникова захватила в плен 190 584 человека, в том числе 10 генералов, 52 полковника, 72 подполковника, 5131 других офицеров, 4096 унтер-офицеров и 181 223 рядовых. Войска же Белорусского фронта с 17 по 28 сентября 1939 г., по данным другого отчёта, захватили в плен 57 892 польских военнослужащих, в том числе 2193 офицера.
С первых дней советского наступления Берлин и Москва обсуждали и вопросы о политическом сотрудничестве. 18 сентября в совместном коммюнике в качестве общей цели называлось восстановление порядка и спокойствия в Польше и переустройство условий её государственного существования. Под этим подразумевалась ликвидация Республики Польши как суверенного государства. Именно на этом настаивал Сталин в беседах с Шуленбургом 20 и 25 сентября, а также с Риббентропом во время его сентябрьского визита в Москву.