На Белорусском фронте конно-механизированная группа генерала И. В. Болдина, сделав ночной бросок, утром 19 сентября захватила г. Волко-выск. Под Гродно польские войска оказали сильное сопротивление. К утру 21 сентября город был уже занят. В это же время войска правого крыла фронта овладели Вильнюсом, отторгнутым у Литвы в 1920 году. За четыре дня советские войска продвинулись на 200—250 км.
После овладения Гродно часть подвижных соединений Белорусского фронта получила задачу действовать в направлении Августо и Сувалки, остальные дивизии выходили в район Белостока и Беловежской пущи. Войска Украинского фронта заняли Сарны, Луцк, Тернополь, Бугач, Станислав. Передовые отряды, используя успех главных сил, завязали бои за города Ковель, Стрый. Советские части подходили ко Львову. Польский гарнизон под командованием генерала Лангера был окружен немцами во Львове и оказывал сопротивление захватчикам. На предложение немцев капитулировать поляки ответили отказом, заявив, что они сдадутся только войскам Советской Армии.
В 4 часа 19 сентября дозорные машины разведывательного батальона 24-й легкотанковой бригады подошли к населенному пункту Винники (в нескольких километрах от Львова), где столкнулись с подразделением 137-го полка вермахта, который открыл огонь. Завязался бой. Экипажи двух советских дозорных машин, подожженных гитлеровцами, героически дрались до конца, пока не взорвались бензобаки. Вскоре к полю боя подошли главные силы батальона. Немцы начали постепенный отход. Советские разведчики захватили два немецких самолета, три зенитные и две противотанковые пушки. Обе стороны понесли потери (5 раненых, 3 убитых и 3 броневика с советской стороны, 4 убитых и 2 орудия — с немецкой). 24-я легкотанковая бригада во взаимодействии с кавалерийским полком 2-го кавкорпуса, заняв исходное положение, готовилась продолжать наступление. Немецкое командование, обеспокоенное сложившейся обстановкой, обратилось с просьбой к советскому командованию с предложением взять Львов совместным наступлением с обеих сторон. Командование советских войск отклонило предложение немцев и потребовало от них немедленного отвода своих частей и соединений от Львова. В 11 часов 40 минут 20 сентября Гитлер отдал приказ о немедленном отводе немецких войск на 10 км западнее Львова и передаче Львова русским. 22 сентября Львов и гарнизон в 15 тыс. человек были сданы польским командованием Красной Армии. Тем не менее столкновения между советскими и немецкими войсками продолжались и западнее Львова, в связи с чем 23 сентября германскому послу в Москве был заявлен протест. Другая встреча с гитлеровцами произошла в Белоруссии, в г. Белостоке, но уже при совершенно иных обстоятельствах. Когда советские войска подошли к городу, немцы уже вошли в него, им было предложено покинуть пределы Белостока. После некоторого колебания они согласились, но поставили условие, что первоначально в город вступит советская команда не более 120 человек, остальные же наши части вошли бы туда лишь после ухода всего немецкого гарнизона. Условия были приняты. 120 казаков 6-й кавалерийской дивизии под командованием полковника И. А. Плиева прибыли в Белосток.
Реакция населения страны на ввод советских войск не была однозначной. В польской части общества вступление Красной Армии вызвало большей частью негативную и даже враждебную реакцию. Однако жители Западной Украины и Западной Белоруссии встречали воинов Красной Армии, как правило, радушно, с хлебом-солью, цветами, красными флагами. Во многих городах и селах проходили многолюдные митинги, участники которых приветствовали приход советских войск. В то же время и здесь некоторые слои населения относились к Красной Армии враждебно.
В те же сентябрьские дни продолжались интенсивные советско-германские переговоры. 19 сентября Молотов дал понять Шуленбургу, что «первоначальное намерение, которое вынашивалось Советским правительством и лично Сталиным, — допустить существование остатков Польши (то есть сохранить Польшу как государство. — Прим, авт.), — теперь уступило место намерению разделить Польшу по линии рек Писса, Нарев, Висла, Сан». Встал вопрос и о Прибалтике. По секретному протоколу от 23 августа Латвия и Эстония отходили в сферу интересов СССР. Однако в момент подписания протокола дальнейшая политика СССР в отношении этих стран еще не была четко определена.
Теперь же, когда Польша рушилась под ударами вермахта, Прибалтийские страны оказались в непосредственной близости от театра военных действий. Дело еще более осложнилось, когда 20 сентября Гитлер принял решение превратить в ближайшее время Литву в протекторат Германии, а 25 сентября подписал директиву № 4 о сосредоточении войск в Восточной Пруссии в готовности вторгнуться в Литву.
В тот же день Сталин в беседе с Шуленбургом предложил, чтобы из областей, расположенных восточнее демаркационной линии, в сферу интересов Германии перешли все Люблинское воеводство и часть Варшавского воеводства до Буга. За это немецкая сторона могла бы отказаться от Литвы. В случае согласия Германии Советский Союз немедленно приступил бы к решению проблемы Балтийских государств согласно протоколу от 23 августа.
Через два дня Риббентроп прилетел в Москву. В ходе переговоров 27—28 сентября выработали условия нового договора «О дружбе и границе», который был подписан 28 сентября. Согласно этому договору была частично изменена граница «сферы интересов» двух государств (не по Висле, а примерно по линии рек Нарев, Буг, Сан). При определении этой границы СССР руководствовался этническими принципами, а также ставил преграду для дальнейшего продвижения гитлеровской Германии на восток. К договору прилагалась соответствующая карта. Литва была включена в «сферу интересов» СССР.