К этому времени в соответствии со сводкой Генштаба части РККА занимали рубеж Ковель—Владимир-Волынский—Сокаль—предместья Львова. Германским войскам, в течение десяти дней окружавшим Львов (Лемберг), не удалось заставить город капитулировать. После того как в соответствии с соглашением германские части начали отходить на запад, их место занимала Восточная армейская группа, получившая приказ овладеть городом к исходу 19 сентября. Однако в районе м. Красное наступавшие части встретились с сильным сопротивлением со стороны польских войск генерала В. Орлик-Рюкемана. В результате к вечеру советские части смогли лишь выйти к окраинам Львова, но не овладеть им. По сведениям, полученным советской разведкой, в городе находились две-три польские пехотные дивизии и много офицеров, стекавшихся туда при отступлении с различных участков фронта. На помощь гарнизону Львова прорывалась группировка генерала К. Соснковского. Чтобы помочь ей, из города навстречу была направлена часть сил. Однако подход ко Львову крупной группировки советских войск лишил защитников города последней надежды. К тому же 20 сентября стало известно, что немцы разбили дивизии Соснковского. Отходившие польские части в районе Лашки Муроване наткнулись на красноармейские соединения. Последние завершили начатое немцами дело, взяв в плен большое количество польских военнослужащих. Сам генерал с частью войск ушел в Венгрию.
21 сентября по войскам ВАГ был отдан боевой приказ: «Противник удерживает последний опорный пункт на своей территории — г. Львов. Обороной города руководит фашистская организация. Принцип обороны — круговой, с уличными баррикадами и частично минированными проездами… Восточная группа войск в 9.00 22.9.39 атакует противника с задачей сломить его сопротивление, принудить сложить оружие и сдаться». Ставилась задача не только занять город, но и отрезать пути отступления польским частям на запад. Артиллерии предписывалось до наступления произвести десятиминутный огневой налет и подавить очаги сопротивления. Однако приказ выполнить не довелось. Тимошенко сообщал Сталину, Молотову, Ворошилову и Шапошникову: «В результате новых боев в городе в 8.40 22 сентября начальник гарнизона Львова генерал Лянгнер явился лично на командный пункт командующего Восточной группой т. Голикова и сдал нам город Львов. Выделена комиссия по разработке техники передачи города. Ввожу отборные части для занятия объектов и охраны их и города. На окраинах города оставляю дежурные части и остальные привожу в порядок для дальнейших действий. В городе Львове нет воды и хлеба. Принял меры к полному удовлетворению населения питанием».
В соответствии с условиями сдачи города польскому гарнизону была гарантирована и обещана возможность уйти в Румынию или Венгрию. Однако большинство офицеров — свыше 2 тысяч человек — вскоре оказались в лагере для военнопленных в Старобельске.
Несмотря на то что Сталин 25 сентября предложил Германии Люблинское воеводство и правобережную часть Варшавского в обмен на включение Литвы в зону интересов СССР, части РККА продолжали продвижение в эти воеводства. Причем командование приказало не допускать отхода польских частей на север; в случае если линия Любартов—Люблин не занята германскими войсками, ликвидировать находящиеся здесь соединения польской армии и к исходу 29 сентября подвижными частями овладеть районами Любартов, Люблин. Однако в ходе визита Риббентропа в Москву предложение Сталина об обмене территориями было принято и оформлено специальным секретным протоколом, после чего наступила очередь РККА отводить свои части на новую демаркационную линию.
При встречах германской и советской армий в ряде городов проводились совместные военные парады, которые в Гродно вместе с германским генералом принимал комкор В.И. Чуйков, в Бресте — Г. Гудериан и комбриг С.М. Кривошеин.
В целом же за 12 дней боевых действий на территории Польши Красная Армия продвинулась на 250–350 км на запад, заняла территорию общей площадью в 190 тыс. кв. км с населением более 12 млн человек.
Во время польской кампании погибли с польской стороны 3500 военных и гражданских лиц, около 20 000 были ранены или пропали без вести. Советская сторона официально объявила о 737 убитых и 1862 раненых.