К 25 сентября части советской 12-й армии закрепились на реке Горынь, но сил не было даже на оборону, и через 4 дня армия отошла на восток, заняв оборону по реке Случ. 3 октября командование армии уже просило Ставку разрешить новое отступление, но главком резонно ответил, что новое отступление ставит проблемы в будущих переговорах. В начале октября измотанный в боях Юго-Западный фронт красных получил приказ отойти до линии Коростень — Житомир — Жмеринка и оборонять Киев, до последнего ожидая подхода свежих резервов из Крыма.
С 16 сентября армия Петлюры также начала наступление в Украину. Силы этой армии перешли Днестр и захватили Чертков. Уже через неделю армия Петлюры переправилась через Збруч и с боем заняла Каменец-Подольский и Проскуров. Красные были ошеломлены внезапным изменением ситуации и отступали к Жмеринке и Вапнярке. Но с начала октября 1920 года сильные контрудары Красной Армии остановили наступление Петлюры. К 3 октября 1920 года петлюровцы пробились только к Новой Ушице. К тому же польская армия, дойдя до линии Звягель — Староконстантинов, остановила свое движение, начав подготовку к сепаратным мирным переговорам с Советами.
Пилсудский и Петлюра в конце сентября 1920 года планировали второй поход на Киев. Однако польский Сейм выступил против нового похода на Киев, против продолжения бесперспективной войны… В первой половине сентября 1920 года Пилсудский встречается с Петлюрой в Станиславе. Тогда Петлюре было предложено самостоятельно прорываться на «великую Украину». Польша обещала снабжать армию УНР всем необходимым, кроме своих солдат. Только при условии, что армия Петлюры сможет самостоятельно разбить красных на Подолии, взять Винницу, Жмеринку, Вапнярку, что петлюровцев поддержит мощное повстанческое движение. Пилсудский обещал уговорить Сейм поддержать Петлюру всей силой польской армии.
12 октября Петлюра приказал своей армии перейти в общее наступление на Вапнярку и Жмеринку. Одновременно Петлюра издает приказ о начале всеобщего восстания в Украине. 14 октября он «призывает во власть» министерство во главе с «более левым» премьером А. Ливицким (заменив кабинет В. Прокоповича). Однако все попытки армии УНР двигаться дальше наталкивались на непробиваемую стену красной обороны.
Еще 17 октября 1920 года польская армия успешно наступала на Мозырь и Коростень. Но 18 октября последовало неожиданное перемирие поляков с Советами. Еще 12 октября поляки и Советы подписали тайное соглашение о перемирии, а 18 октября — прелиминарный договор. Следуя указаниям Пилсудского, армии Польши и УНР прекратили бои на фронте на двадцать дней перемирия. К этому времени 1-я Конная армия уже перебрасывалась с польского фронта к Каховке на Днепр — против Врангеля.
Петлюра протестовал против сепаратных переговоров поляков с Советами, ведь в соответствии с Варшавским договором поляки не имели права вести подобные переговоры без участия УНР и ей во вред. Но Пилсудский уже не обращал никакого внимания на договор с Петлюрой.
22 октября 1920 года перемирие на фронте было ратифицировано Польшей, а 23 октября — Советской Россией. 2 ноября 1920 года польские войска были отведены на установленную перемирием демаркационную линию и советские войска вступили в Минск и Слуцк. Советские войска, исходя из результатов договора, должны были вступить и в Подолию, где находились войска Петлюры.
Польша дорого продала мир. За «участие Польши в экономической жизни Российской империи» Варшава получила 30 миллионов рублей золотом, 2 тысячи паровозов. За «военные победы» — территорию Волынской губернии. 18 марта 1921 года Рижский мирный договор между Польшей и Россией закрепил приобретения Польши.
Один на один с Советами
В конце октября 1920 года, во время перемирия, Петлюра приказывает провести мобилизацию в армию УНР призывников десяти возрастов в юго-западных уездах Подолии, где петлюровцам удалось создать администрацию. В армию Петлюры мобилизуются украинцы и евреи, всего около 13 тысяч человек. Но для реального увеличения армии катастрофически не хватает винтовок, патронов, амуниции. Армия Петлюры формировалась с расчетом только на летнюю кампанию, и армия оказалась недееспособной, когда в конце октября 1920 года ударили первые морозы.
Тыловая база армии — западная Подолия наиболее пострадала от войны, в некоторых селах власть за эти годы сменялась 15–20 раз, и почти каждая ее смена сопровождалась реквизициями скота и продовольствия. Крестьянство края было полностью разорено войной.