В 5.00 17 сентября передовые и штурмовые отряды советских армий и пограничных войск перешли границу и разгромили польскую пограничную охрану. Переход границы подтвердил данные советской разведки об отсутствии значительных группировок польских войск, что позволило ускорить наступление. К исходу первого дня операции на фронте 3-й армии 25-я танковая бригада вышла в район Глубокое, а 24-я кавдивизия и 22-я танковая бригада в район Дуниловичи - Зарежье. Несмотря на трудности со снабжением войск из-за неразвернутых тыловых частей, с утра 18 сентября войска армии продолжили наступление, и к исходу дня подвижная группа заняла Свенцяны, 25-я танковая бригада достигла района Годуцишек, а 27-я стрелковая дивизия вышла в район озер Мядель и Нарочь.
Южнее войска 11-й армии к исходу 17 сентября продвинулись до Воложина и Константиновки, подошли к Красному и передовыми частями заняли Молодечно. К исходу 18 сентября 7-я кавдивизия достигла Гольшан, а 36-я кавдивизия района Ошмяны - Курмеляны. 16-й стрелковый корпус находился в районе Глинка - Крево - Вейнюны, а 6-я танковая бригада подошла с юга к Вильнюсу и завязала бои на окраине города с польскими частями и городскими ополченцами. С утра 19 сентября подвижные части 3-й армии подошли к Вильно (Вильнюсу) с запада и вместе с 6-й танковой бригадой и подошедшими передовыми частями 3-го кавкорпуса 11-й армии штурмом овладели городом, который был занят около 13 часов. В боях за Вильно части 11-й армии потеряли 13 человек убитыми и 24 человека ранеными, было подбито 5 танков и 4 бронемашины. Стрелковые дивизии 3-й армии вслед за подвижными частями продвигались к линии латвийской и литовской границ. 19 сентября мотомеханизированная группа 16-го стрелкового корпуса 11-й армии заняла Лиду.
Пока войска 3-й и 11-й армий занимали северо-восточную часть Западной Белоруссии, южнее перешли в наступление части КМГ. К исходу 17 сентября 6-й кавкорпус форсировал р. Ушу, а 5-й стрелковый корпус вышел на линию железной дороги Барановичи - Столбцы. Передовой отряд 11-й кавдивизии занял Новогрудок, а 15-й танковый корпус подходил с Слониму. На следующий день 21-я танковая бригада и 6-й кавкорпус форсировали р. Молчадь и достигли района Козловщины, 15-й танковый корпус занял Слоним и продвинулся на 10-15 км западнее города, а 5-й стрелковой корпус вышел на р. Молчадь. 19 сентября 15-й танковый корпус из-за отсутствия горючего оставался в занятом районе, а 6-й кавкорпус форсировал р. Щара и двинулся в сторону Волковыска. 20 сентября 15-й танковый корпус занял Волковыск, откуда танковые бригады вместе с 4-й кавдивизией были направлены на Гродно и к вечеру заняли южную часть города. В городе разгорелись бои с польскими частями и ополченцами, продолжавшиеся весь день 21 сентября. Тем временем 2-я танковая бригада заняла Сокулку, а ее передовой отряд, обходя Гродно, двинулся на Августов. 11-я кавдивизия и 5-й стрелковый корпус продвигались на запад и юго-запад от Волковыска.
На фронте 4-й армии к исходу первого дня наступления 29-я танковая бригада заняла Барановичи и расположенный здесь же укрепленный район, который не был занят польскими войсками, а 8-я стрелковая дивизия продвинулась до Снува. К исходу 18 сентября 29-я и 32-я танковые бригады вышли на р. Щара южнее Слонима, а 8-я стрелковая дивизия прошла Барановичи. К исходу 19 сентября 29-я танковая бригада вошла в Пружаны, 32-я танковая бригада - в Миньки на шоссе Барановичи - Брест, 8-я стрелковая дивизия достигла р. Щара, а подошедшая 143-я стрелковая дивизия совершала марш южнее Барановичей. К вечеру 20 сентября 29-я танковая бригада находилась западнее Пружан, 32-я танковая бригада - в Кобрине, 8-я стрелковая дивизия - в Ружанах, 143-я стрелковая дивизия - в Ивацевичах.
С 18 сентября границу перешли и сосредоточившиеся войска 10-й армии, которые к исходу дня достигли рек Неман и Уша. Продолжая медленное продвижение во втором эшелоне Белорусского фронта, войска армии к исходу 20 сентября вышли на рубеж Новогрудок - Городище. Южнее войска 23-го стрелкового корпуса перешли границу в 16.25 18 сентября и к исходу 20 сентября продвинулись западнее Лунинца.
Войска Украинского фронта тоже 17 сентября перешли польскую границу и стали продвигаться вглубь Польши. 36-я танковая бригада 5-й армии 18 сентября заняла Луцк, а стрелковые дивизии достигли линии Рокитное Костополь - Ровно - Дубно. 21 сентября 60-я стрелковая дивизия после упорных боев прорвала Сарненский УР и заняла г. Сарны. К исходу 22 сентября войска 5-й армии вышли на рубеж Ковель - Рожице - Владимир-Волынский Иваничи.
В полосе 6-й армии в 4.00 17 сентября штурмовая группа пограничников и красноармейцев захватила Волочиский пограничный мост, по которому пошли войска. Вечером 17 сентября был занят Тарнополь и войска двинулись к Львову, который 12-18 сентября был охвачен вермахтом с севера, запада и юга. В 1.35 19 сентября передовой отряд 24-й танковой бригады вступил в город, и после переговоров началась перестрелка с поляками. Около 8.00 на восточной окраине Львова советское подразделение столкнулось с частью вермахта, которая огибала город с юго-востока. Обе стороны решили, что перед ними поляки, и открыли огонь. В ходе перестрелки немцы потеряли 3 противотанковых орудия, 3 человек убитыми и 9 ранеными, а советские части лишились 1 танка, 2 бронемашин, погибли 3 и были ранены 4 солдата. Разобравшись в ситуации, стороны начали переговоры, в ходе которых требовали друг от друга отвести войска от города и не мешать его штурму. К вечеру 20 сентября германские войска получили приказ отойти от Львова, и в ночь на 21 сентября советские войска заняли исходные позиции для атаки города, назначенной на 14.00 21 сентября. Но поляки предложили переговоры, и атака была отложена на сутки. Тем временем 14-я кавдивизия заняла северное предместье города, а в 8.00 22 сентября польский командующий генерал Лянгнер подписал акт о сдаче города, и в 14.00 22 сентября Красная Армия заняла Львов.
Войска 12-й армии в 5.00 17 сентября перешли границу и к исходу 18 сентября вышли на фронт Подгайцы - Монастыриска, а 13-й стрелковый корпус занял Коломыю, отрезав Польшу от Румынии. 19 сентября войска армии вели бои с польскими войсками у Галича и заняли Станиславов. 20 сентября в районе Стрыя войска вошли в контакт с немцами, которые 22 сентября передали город Красной Армии. С 21 сентября войска 13-го стрелкового корпуса были развернуты вдоль границы с Румынией и Венгрией от Коломыи до Бескид314 .
Сразу же после вступления Красной Армии в Польшу в Москве начался новый тур дипломатических переговоров с Германией. Уже вечером 18 сентября в беседе с Шуленбургом Сталин неожиданно заявил, что "у советской стороны есть определенные сомнения относительно того, будет ли германское верховное командование придерживаться московского соглашения в соответствующее время и вернется ли на линию, которая была определена в Москве". Шуленбург ответил, что "Германия, конечно же, твердо намерена выполнять условия московских соглашений". На это Сталин заявил, что "он не сомневается в добрых намерениях германского правительства. Его беспокойство было основано на том хорошо известном факте, что все военные ненавидят возвращать захваченные территории"315 . Германские дипломаты категорически отвергли его опасения и заявили, что вермахт подчиняется распоряжениям фюрера и все соглашения с Москвой будут неукоснительно соблюдаться.
19 сентября было опубликовано советско-германское коммюнике: "Во избежание всякого рода необоснованных слухов насчет задач советских и германских войск, действующих в Польше, правительство СССР и правительство Германии заявляют, что действия этих войск не преследуют какой-либо цели, идущей вразрез интересов Германии или Советского Союза и противоречащей духу и букве пакта о ненападении, заключенного между Германией и СССР. Задача этих войск, наоборот, состоит в том, чтобы восстановить в Польше порядок и спокойствие, нарушенные распадом польского государства, и помочь населению Польши переустроить условия своего государственного существования"316 .
Вечером 19 сентября Молотов вызвал Шуленбурга и заявил ему, что "начальник оперативного отдела вермахта Варлимонт показал вчера исполняющему обязанности советского военного атташе в Берлине карту, на которой нанесена будущая "граница рейха". Она проходит вдоль Вислы, идет через Варшаву, но дальше нанесена так, что Львов остается на немецкой стороне". Это противоречит московским соглашениям и вызывает удивление советского правительства. Шуленбург ответил, что произошло недоразумение, так как на карте, видимо, была показана временная демаркационная линия, тем не менее он запросил в Берлине инструкций317 . В тот же день Молотов заявил Шуленбургу, что обоим правительствам пора окончательно определить структуру польских территорий. Если раньше советское правительство предполагало сохранить существование остатков Польши, то теперь оно готово разделить Польшу по линии четырех рек. "Советское правительство желает немедленно начать переговоры по этому вопросу и провести их в Москве, поскольку такие переговоры с советской стороны обязаны вести лица, наделенные высшей властью, не могущие покинуть Советский Союз"318 .
