21 апреля 1920 г. Петлюра цинично заключил с Пилсудским предательское соглашение, по которому Директория в обмен на его признание верховным правителем Украины соглашалась на присоединение к Польше Восточной Галиции, Западной Волыни и части Полесья — всего свыше 162 тыс. кв. км. Директория обязывалась оберегать собственность польских землевладельцев, войска ее подчинялись Варшаве. Директория также обязывалась снабжать оккупационные польские войска продовольствием и транспортом. В Польше Петлюра с помощью Ю. Пилсудского сформировал две дивизии — 3-ю «железную» и 6-ю «сичевую», которые должны были принять участие в походе польских войск на Киев.
Бежавшая с Украины Директория еще раз — третий по счету — получила возможность утвердиться у власти, когда белополяки 8 мая 1920 г. захватили Киев. Однако вскоре выяснилось, что польские генералы меньше всего жаждут реального возрождения Украины, которую они видели лишь своей провинцией. Поляки даже принялись ограничивать преподавание в школах на украинском языке, вводить всевозможные ограничения для украинской культурной жизни и т. п. Но зато они вместе с петлюровцами организовали серию массовых еврейских погромов. Уж тут-то они обнаружили родство душ. Только в местечке Тетиеве около Винницы было зарезано 4 тысячи евреев. В этих условиях Петлюра продолжал поддерживать поляков, он со своим штабом пребывал не в Киеве, а в Виннице, где находился под полным контролем «родных» оккупантов. В правительство Петлюры был даже введен польский представитель Стемпковский, выполнявший функцию надсмотрщика.
Армия Петлюры пытается действовать отдельно от польских войск, но в целом безуспешно. Петлюровцы провели массовую мобилизацию, но отсутствие реального материального обеспечения не позволило им создать сколько-нибудь боеспособную армию.
Петлюра пытается активизировать повстанческое движение на Украине под новыми лозунгами. Между ним и махновцами давно сложилось своеобразное разделение зон влияния и мятежей: петлюровцы традиционно занимались правобережной Украиной, а махновцы — левобережной. Как и махновцы, петлюровцы, войдя в прямую конфронтацию с советской властью, должны были отказаться от идеи Советов. Кроме того, смены камуфляжной советско-социалистической идеологии требовали известные атаманы петлюровских отрядов Зеленый и Тютюнник. 20 августа они направили Петлюре заявление, в котором объявили о своем отказе от первоначальных повстанческих лозунгов типа «Власть трудовому народу и селянству». Теперь они собирались бороться со всеми врагами украинской «незалежной» государственности без разбора. И действительно петлюровские отряды в период интервенции белополяков отличались деполитизированной разбойной активностью, превращаясь фактически в обыкновенные бандформирования. Наибольшее распространение деятельность петлюровских отрядов получила в Александрийском, Чигринском и Черкасском уездах, где действовала так называемая «Александрийская повстанческая дивизия», насчитывавшая 15 тысяч человек. Цитаделью петлюровского движения стал знаменитый Холодный Яр — труднодоступное лесное и болотистое место. Только осенью 1920 г. здесь удалось разгромить окопавшееся соединение петлюровцев.
Подписание Польшей мирного договора с Советской Россией сорвало последние надежды петлюровцев. Петлюра пытался заключить соглашение с Врангелем о взаимопомощи и взаимопризнании. Согласно документу, петлюровцы должны были ударить в тыл Красной Армии, когда Врангель начнет генеральное наступление. Разгром Врангеля сорвал все эти амбициозные планы. В ноябре 1920 г. Красная Армия разгромила «железную дивизию» — лучшее формирование Петлюры, и взяла город Каменец-Подольский. На железнодорожных путях станции Волочиск был захвачен стоящий под парами правительственный поезд Петлюры. После разгрома белополяков и сил Директории Петлюра бежал прямо в Варшаву, не задерживаясь, как обычно, в Галиции. Одновременно были уничтожены банды Булат-Балаховича, совершавшие налеты на города и местечки Белоруссии. Так на реке Збруч закончилась очередная, но не последняя, авантюра Петлюры.
В Польше собралось несколько десятков тысяч петлюровцев, белорусские националисты Булат-Булаховича, эсеры Савинкова, деятельность которых координировал Пилсудский. Вопреки условиям рижского мирного договора Пилсудский поддержал Петлюру и даже устроил ему пышный прием в Бельведерском дворце. Пилсудский также предоставил своему другу целый район с центром в Тарнове, который получил название «административная область Петлюры», где функционировало его правительство. Петлюра мог почувствовать себя правителем УНР в изгнании и хоть как-то возместить нанесенный ему «моральный» ущерб. Но за оказанные услуги требовалось расплачиваться активной антироссийской политикой и террористической деятельностью на Украине.