Таким образом, Советский Союз, исходя из изложенных выше соображений, не собирался вторгаться в Польшу до того момента, пока та не исчерпает свои возможности к сопротивлению Германии, а Англия и Франция, несмотря на это, будут формально пребывать в состоянии войны с немцами и реально в нее не вступят. В реальности союзники de facto не оказали полякам вообще никакой помощи, а в одиночку страна оказалась не в состоянии противодействовать вермахту.
9 сентября 1939 г. по поручению Сталина была подготовлена директива Секретариата Исполкома Коминтерна (ИККИ), в которой было сказано: «Международный пролетариат не может ни в коем случае защищать фашистскую Польшу, отвергнувшую помощь Советского Союза, угнетающую другие национальности».
17 сентября 1939 г. СССР вошел в восточные районы Польши. В этот же день, выступая по радио, глава правительства и нарком иностранных дел Молотов сказал, что советские войска с освободительной миссией вступили на территорию Западной Украины и Западной Белоруссии с целью освободить проживающих там украинцев и белорусов.
Таким образом, было утверждено и узаконено за Галицией и западными территориями, заселенными этническими белорусами, названий Западная Украина и Западная Белоруссия соответственно, неофициально употреблявшихся советскими политиками задолго до подписания пакта Молотова — Риббентропа, и подразумевавшими, что они являются частями Украины и Белоруссии, исходя из содержания самих понятий. Многие из населения исторических земель искренне встречали Красную армию хлебом-солью.
Для польского военно-политического руководства это вторжение стало неожиданностью и сделало перегруппировку терпящих от немцев поражение за поражением национальных сил невыполнимой задачей. Советские войска вторжения насчитывали 1,5 млн человек и состояли их двух фронтов: Украинского, под командованием Тимошенко, и Белорусского, под командованием Ковалева, основу которых составляли армейские группировки Киевского и Белорусского военных округов, усиленные подразделениями Калининского и Московского ВО. Организованное очаговое сопротивление частям РККА оказывалось поляками лишь в первые сутки боевых действий. Местное украинское, белорусское и еврейское этническое население преимущественно содействовало Красной армии, создавая вооруженные отряды, действовавшие против польских властей. В ряде населенных пунктов Западной Украины имели место выступления, инициированные сторонниками ОУН, направленные против этнических поляков, которые жестоко подавлялись отступавшими правительственными войсками, на треть состоящими из военнослужащих украинского происхождения.
Ночью 18 сентября польский президент и Верховное командование с одним батальоном, имевшим на вооружении французские танки Renault R-35, покинули страну и перебрались в Румынию, где они были интернированы. В этот же день Красная армия захватила Вильнюс, Брест, где обменялась «приветствиями» с вермахтом. 22 сентября ею взяты Гродно и Львов, а 23 сентября она достигла реки Буг.
19 сентября 1939 г. в НКВД создается Главное управление по делам военнопленных и интернированных, которое занималось попавшими в плен польскими солдатами и офицерами. Чекисты ускоренными темпами начали осуществлять чистку новых территорий от антисоветских элементов. Работу, которую они проводили в течение двадцати лет, в новоприсоединенных областях требовалось провести в сжатые сроки. Немалое число поляков, арестованных оперативными группами НКВД, расстреляли прямо в тюрьмах Западной Украины.
По состоянию на 20 сентября 1939 г. численность РККА составила 5 389 400 человек.
21 сентября 1939 г. представители советского и немецкого командований подписали советско-германский протокол об установлении демаркационной линии на территории бывшего Польского государства.
На следующий день, 22 сентября, состоялась официальная процедура передачи г. Бреста и Брестской крепости советской стороне. (Брестская крепость была построена в середине XIX в. на западной границе Российской империи у слияния рек Буг и Мухавец. Мощные укрепления, система фортов, бастионов, валов и водных преград делали цитадель неприступной. Через столетие после постройки оборонительные качества крепости
новыми видами вооружений были сведены к минимуму. В результате исторических передряг бастион по состоянию на сентябрь 1939 г. принадлежал Польше.)
В городе прошел парад победителей, который принимали с немецкой стороны командующий корпусом генерал танковых войск Г. Гудериан, с советской — комбриг С. Кривошеин. Действо называли не иначе как «братство, скрепленное кровью». Процедура завершилась торжественным спуском германского и поднятием советского флага.
Событие было заснято немецкой пропагандистской службой Die Deutsche Wochenschau. Во всех доступных ей средствах массовой информации Германия всячески старалась показать Англии и Франции, что СССР — ее союзник. В то же время советское руководство официально всеми способами подчеркивало свою «нейтральность».