В тот же вечер Сталин и Молотов пригласили в Кремль графа Шуленбурга, сообщили ему о намерении «немедленно взяться за решение проблемы прибалтийских государств» и предложили «разменять» Литву. Вопрос был поставлен весьма своевременно, поскольку именно в этот день вышла директива ОКВ № 4, согласно которой Вермахту следовало: «Держать в Восточной Пруссии наготове силы, достаточные для того, чтобы быстро захватить Литву, даже в случае ее вооруженного сопротивления».
Тем временем на границе создавалась советская военная группировка – как и обещал Молотов, СССР готовился, в случае необходимости, «обеспечить свою безопасность» и без согласия прибалтийских стран. Еще 13 августа 1939 года в Ленинградском военном округе началось формирование Новгородской армейской группы, преобразованной затем в 8-ю армию под командованием комдива Хабарова; управление армии разместилось в Пскове. В Калининском военном округе по мобилизации развертывалась 7-я армия под командованием командарма 2 ранга В.Ф. Яковлева, которая 15 сентября также была передана в подчинение Военного совета ЛВО. Директива Ворошилова от 14 сентября определила состав войск прикрытия территории Ленинградского округа на Кингисеппском (11-я стрелковая дивизия, 447-й корпусной артполк) и Псковском (управление 1-го стрелкового корпуса, 49, 56 и 75-я стрелковые дивизии) направлениях. С 25 сентября войска 7-й армии приступили к сосредоточению на латвийской границе, а управление армии передислоцировалось в Идрицу. Тогда же начались разведывательные полеты советских самолетов над Эстонией.
26 сентября в штабе ЛВО была получена директива наркома обороны, согласно которой требовалось «немедленно приступить к сосредоточению сил на эстоно-латвийской границе и закончить таковое 29 сентября 1939 г.». Между Финским заливом и Чудским озером развертывался Отдельный Кингисеппский стрелковый корпус (11-я, 16-я стрелковые дивизии, 35-я танковая бригада), южнее Псковского озера – войска 8-й армии (1-й стрелковый и 10-й танковый корпуса, а также 123-я, 136-я стрелковые, 25-я кавалерийская дивизии, 1-я и 40-я танковые бригады), в районе Себеж, Юхневичи, Клястичи – соединения 7-й армии (2-й, 47, 4-й стрелковые корпуса – восемь стрелковых, одна кавалерийская дивизии, 34-я и 39-я танковые бригады), в состав которой была включена часть войск 3-й армии Белорусского фронта (3-й, 10-й стрелковые, 3-й кавалерийский, 15-й танковый корпуса), сосредоточенных на левом берегу Западной Двины.
Войскам была поставлена задача «нанести мощный и решительный удар по эстонским войскам, для чего: а) Кингисеппской группой быстро наступать на Везенбург, Тапе, Таллин; б) 8-й армии разбить войска противника и наступать на Юрьев (Тарту) и в дальнейшем – совместно с Кингисеппской группой на Таллин, Пернов (Пярну), выделив для обеспечения своего фланга одну танковую бригаду и 25-ю кавалерийскую дивизию в направлении Валк. В случае выступления латвийских воинских частей на помощь эстонской армии наступать в направлении от Валка на Ригу; в) 7-й армии – прикрыть операции ЛВО со стороны латвийской границы. В случае выступления или помощи латвийской армии эстонским частям, 7-й армии быстрым и решительным ударом наступать по обоим берега реки Двины в общем направлении на Ригу». Балтийский флот должен был «уничтожить эстонский флот», нанести удар «по морским базам» Эстонии и «содействовать наступлению сухопутных войск ЛВО». Ворошилов требовал подготовить план операции к 27 сентября и предупреждал, что «о времени перехода в наступление будет дана особая директива».
28 сентября нарком обороны утвердил представленный план операции против Эстонии, указав, что войскам следует избегать разрушения железнодорожных мостов. В тот же день командующий ЛВО командарм 2 ранга К.А. Мерецков приказал к утру 29 сентября привести КБФ в полную боевую готовность, для того чтобы, получив приказ, нанести удар по военно-морским базам Эстонии, захватить ее флот, не допустив его ухода в нейтральные воды Финляндии и Швеции, поддержать артиллерийским огнем сухопутные войска на побережье и иметь в виду высадку десанта по особому приказу. В случае выступления Латвии следовало захватить и ее флот.
Таким образом, для вторжения в Эстонию к началу октября было сосредоточено 15 стрелковых, 2 кавалерийские дивизии, 7 танковых и 1 стрелково-пулеметная бригада, в которых насчитывалось более 300 тысяч бойцов и командиров, 2760 орудий, 2077 танков, 243 бронеавтомобиля. Красная Армия собиралась войти в Эстонию, независимо от решения, принятого ее правительством.