Наступавшие севернее соединения 2-го кавкорпуса с утра 18 сентября форсировали р. Серет и в 10.00 получил 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 1 155 человек и 1 200 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 1 200 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 тюками 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 Злочув 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).
Начальнику 2-й части капитану Шуренкову связаться с польским штабом и вызвать начальника гарнизона Львова для переговоров о сдаче города. В 6.00 19 сентября части заняли свои места и приступили к обезоруживанию польских войск, подходивших к Львову на помощь, а разведбатальон обезоруживал казармы в самом городе Львове. В 6.30 к командиру бригады прибыло два польских майора для переговоров. Командир бригады вести переговоры с ними отказался и приказал явиться начальнику гарнизона, или начальнику штаба. В 7.00 19 сентября прибыл полковник и два других майора, с которыми также переговоры не велись. В 7.40 прибыл начальник штаба гарнизона полковник генерального штаба[Б. Раковский]и с ним два полковника и три майора. Командир бригады отрекомендовался командиром танкового корпуса, который окружил г. Львов и предложил сдать город Львов. Начальник штаба гарнизона просил повременить, так как он не уполномочен на это и должен получить указание свыше. На все это было дано 2 часа. Командир бригады потребовал, чтобы танки, находящиеся в городе и на окраине, продолжали оставаться [там] и разрешения занять командные пункты для наблюдения за немецкими позициями, которые полукольцом прилегали к городу. На это было дано согласие. Договорились взаимно обменяться делегатами связи. В 8.30 немцы неожиданно предприняли атаку на западную и южную окраину города. При этом танки и бронемашины разведбатальона оказались между двух огней (немцев и поляков).
Командир бригады выслал с куском нижней рубахи на палке бронемашину к немцам. Танки и бронемашины выбрасывали красные и белые флажки, но огонь по ним с обеих сторон не прекращался, тогда из бронемашин и танков был открыт по противнику огонь. При этом подбиты у немцев 3 противотанковые орудия, убиты 2 майора и 1 офицер, ранены 9 солдат. У нас подбито 2 бронемашины и 1 танк, убиты 3 человека и ранены 4 человек». Вскоре огонь был прекращен, с бронемашиной прибыл командир 137-го полка горной немецкой дивизии полковник[фон Шляммер], с которым командир бригады в немецком штабе договорились по веем спорным вопросам. Мы подобрали своих раненых и вбитых, а они своих.