Южнее 3-й армии на фронте от Бегомля до Иванец развертывались войска 11-й армии, имевшие задачу к исходу 17 сентября занять Молодечно, Воложин, на следующий день — Ошмяны, Ивье и двигаться далее на Гродно. Перейдя в 5 часов 17 сентября границу, 6-я танковая бригада в 12 часов заняла Воложин, соединения 16-го стрелкового корпуса в это же время вошли в Красное, а к 19 часов достигли Молодечно —Бензовец. Соединения 3-го кавкорпуса уже к 15 часам достигли района Рачинеты — Порыче — Маршалки, а с утра 18 сентября двинулись дальше в сторону Лиды, выйдя к 10 часам на фронт Рыновиче —Постоянны —Войштовиче. В это время 3-му кавкорпусу и 6-й танковой бригаде была поставлена задача наступать на Вильно, который приказывалось занять 19 сентября. В 11.30 кавалерия двинулась к Ошмянам, которые были без боя заняты в 14 часов. Узнав от местного населения, что впереди движется польский обоз с политзаключенными, части 8-го танкового полка выступили в погоню и в районе Юришаны взяли в плен около 150 польских военнослужащих. К исходу 18 сентября соединения кавкорпуса достигли района Ошмяны —Курмеляны. Будучи вынужденным дать отдых лошадям, командир 3-го кавкорпуса создал из 7-го и 8-го танковых полков кавдивизии сводную танковую бригаду под командованием полковника Мирошникова, которая продолжила наступление на Вильно.
В это время в Вильно находились лишь незначительные польские части: около 16 батальонов пехоты (примерно 7 тыс. солдат и 14 тыс. ополченцев) с 14 легкими орудиями. Однако общего отношения к вторжению большевиков у польского командования в Вильно не было. В 9 часов 18 сентября командующий гарнизона полковник Я. Окулич-Козарин отдал приказ: «Мы не находимся с большевиками в состоянии войны, части по дополнительному приказу оставят Вильно и перейдут литовскую границу; небоевые части могут начать оставление города, боевые — остаются на позициях, но не могут стрелять без приказа». Однако поскольку часть офицеров восприняла этот приказ как измену, а в городе распространились слухи о перевороте в Германии и объявлении ей войны Румынией и Венгрией, полковник Окулич-Козарин около 16.30 решил воздержаться от отдачи приказа на отступление до 20 часов.
Около 19.10 командир 2-го батальона, развернутого на южной и юго-западной окраине города, подполковник С. Шилейко доложил о появлении советских танков и запросил, может ли он открыть огонь. Пока Окулич-Козарин отдал приказ об открытии огня, пока этот приказ был передан войскам, 8 танков уже миновали первую линию обороны, и для борьбы с ними были направлены резервные части. Около 20 часов Окулич-Козарин отдал приказ на отход войск из города и выслал подполковника Т. Подвысоцкого в расположение советских войск с тем, чтобы уведомить их, что польская сторона не хочет с ними сражаться и потребовать их ухода из города. После этого сам Окулич-Козарин уехал из Вильно, а вернувшийся около 21 часа Подвысоцкий решил защищать город и около 21.45 издал приказ о приостановке отхода войск. В это время в городе шли некоординированные бои, в которых большую роль играла виленская польская молодежь. Учитель Г. Осиньский организовал из учащихся гимназий добровольческие команды, занявшие позиции на возвышенностях. Стреляли самые старшие, остальные доставляли боеприпасы, организовывали связь и т.п.
Подойдя около 19.30 18 сентября к Вильно, 8-й и 7-й танковые полки завязали бой за южную часть города. 8-й танковый полк ворвался в 20.30 в южную часть города. 7-й танковый полк, натолкнувшийся на упорную оборону, только с рассветом смог войти в юго-западную часть города. Тем временем 6-я танковая бригада, форсировав р. Березина, прошла Гольшаны и в 20 часов 18 сентября достигла южной окраины Вильно, установив связь с подразделениями 8-го танкового полка. Используя орудия, расположенные на горе Трех Крестов, польская молодежь артиллерийским огнем обстреляла наступающие танки. Для поражения танков в городе широко использовались бутылки со смесью бензина и нефти. Один советский танк был сожжен на Завальней улице. В танке погибли механик-водитель Шенкунос и башенный стрелок Кульков, а командир эскадрона старший лейтенант Бодыль был ранен, но сумел отползти от танка и, сняв фуражку, с наганом в руке стал пробираться к своим. Позднее его, потерявшего сознание, случайно подобрали танкисты экипажа младшего командира Куликова. Выяснив, что значительная часть регулярных войск и штабов уже покинула город, Подвысоцкий был вынужден около 22.30 принять решения об оставлении Вильно и отходе к литовской границе. Ночью противник стал отходить за р. Вилия.