Южнее, на фронте Теофиполь —Войтовцы развернулись войска 6-й армии, имевшие задачу наступать на Тарнополь, Езерну и Козову, в дальнейшем выйти на фронт Буек — Перемышляны и далее на Львов. В 4.00 17 сентября штурмовая группа пограничников и красноармейцев захватила Волочиский пограничный мост. В 4.30 войска 17-го стрелкового корпуса нанесли артиллерийский удар по огневым точкам и опорным пунктам противника и в 5.00 приступили к форсированию р. Збруч, используя захваченный мост и наведенные переправы. Форсировав реку практически без какого-либо сопротивления противника, части 17-го стрелкового корпуса около 8.00 свернулись в походные колонны и двинулись в сторону Тарнополя. Подвижные соединения быстро обогнали пехоту и после 18.00 17 сентября 10-я танковая бригада вступила в Тарнополь. Наступавшая севернее города 24-я танковая бригада с 136-м стрелковым полком 97-й стрелковой дивизии уже в 12 часов прошла Доброводы и, обойдя Тарнополь с северо-запада, около 22 часов вышла на его западную окраину и приступила к ее очистке от польских частей. В 19 часов с севера в город вошли 11 танков 5-й кавдивизии 2-го кавалерийского корпуса, однако, не зная обстановки, танкисты решили подождать с атакой до утра. Вступив в Тарнополь, 5-й дивизии пришлось заняться очисткой города от разрозненных групп польских офицеров, жандармов и просто желающих пострелять из числа местного населения. В ходе перестрелок в городе между 10.20 и 14.00 18 сентября дивизия потеряла 3 человек убитыми и 37 ранеными. Одновременно в 10.30 в город вступили стрелковые дивизии 17-го стрелкового корпуса. В плен были взяты до 600 польских военнослужащих.
Наступавшие севернее соединения 2-го кавкорпуса с утра 18 сентября форсировали р. Серет и в 10.00 получили приказ командования Украинского фронта форсированным маршем двинуться к Львову и овладеть городом. Поскольку конский состав нуждался в отдыхе, командир корпуса создал сводный мотоотряд из 600 спешенных кавалеристов, посаженных на танки 5-й кавдивизии и батальона 24-й танковой бригады под командованием командира 5-й кавдивизии комбрига И. Шарабурко. Отряд двинулся к Львову, взяв по дороге в плен до 6 тыс. польских военнослужащих. Остальные войска 6-й армии по мере возможности также двигались к Львову, который 12—18 сентября был охвачен 1-й и 2-й горнопехотными дивизиями вермахта с севера, запада и юга. В ходе маршей 14-я кавдивизия у Сасува сломила сопротивление местного гарнизона и полиции, взяв в плен 1155 человек и 1200 винтовок. В ночь на 19 сентября от Бродов к городу подошла колонна польских войск, которая также была разоружена. В плен были взяты 12 096 человек, трофеями советских войск стали 12 тыс. винтовок, 26 орудий, 275 пулеметов, 32 автомашины и 1200 лошадей. К утру 19 сентября 2-й кавкорпус занял Злочув, а к вечеру 20 сентября 14-я кавдивизия достигла Ярычева, Барщевеще, а 3-я кавдивизия — Калиновки, Бялки Шляхецкой в 8 км от Львова. В 16.20 2-му кавкорпусу были подчинены 38-я, 10-я танковые бригады и сводный отряд 97-й и 96-й стрелковых дивизий. Началась подготовка штурма города, намеченного на 9 утра 21 сентября.
Тем временем сводный мотоотряд 2-го кавкорпуса и 24-й танковой бригады с 35 танками около 2.00 19 сентября подошел к Львову. «При подходе к городу польская артиллерия открыла огонь. Преодолевая уличные баррикады, головной разведывательный батальон (в составе 6 танков) дошел до центра города и был встречен огнем батареи, стоявшей у костела. Первый танк был подбит. Командир разведроты старший лейтенант тов. Чуфаров, сбив орудие у костела, поджег выстрелом снаряды противника. Орудийная прислуга разбежалась, а офицеры закричали “не штрелять”. По танкам был открыт из казарм и многих домов ружейно-пулеметный и револьверный огонь. Танки били по вспышкам. К 4.30 огонь прекратился с обеих сторон. В 4.20 командир бригады [полковник П.С. Фотченков], находясь в танке во Львове, получил через свою делегатскую машину записку от командарма 2 ранга тов. Городовикова приказание: 24-й танковой бригаде остановиться у Злочува и ждать дальнейших распоряжений. Командир бригады не знал причин такого приказа. Предположил, что получены указания свыше об отмене первого приказа по захвату Львова. В 5.00 командир бригады отдал приказ разведбатальону, оставаясь в городе, закрыть выходы восточной окраины Львова. Остальным танкам выйти на восточную окраину Винники (окрестность г. Львова).