Ранним утром 17 сентября заместитель наркома иностранных дел СССР В.П.Потемкин вызвал В.Гжибовского и попытался вручить ему подписанную Молотовым ноту с обоснованием правомерности советских действий. Вступление советских войск на территорию Республики Польша обосновывалось в ноте как реакция на то, что «польское государство и его правительство фактически перестали существовать». Приводился и аргумент о защите якобы оказавшихся в опасности в связи с распадом Польши «братьев украинцев и белорусов».
Данное заявление находилось в явном противоречии с реальным положением дел на территории Польши. Капитуляция Варшавы была подписана только 28 сентября. Польский президент, правительство и Верховное командование РП покинули страну лишь в ночь с 17 на 18 сентября. Еще утром 17 сентября главнокомандующий пытался провести перегруппировку войск, что было сведено на нет, как признавал начальник штаба КОВО Н.Ф.Ватутин, советским наступлением.
Гжибовский категорически отказался принять прочитанную ему Потемкиным ноту, заявив, что «ни один из аргументов, использованных для превращения договоров (польско-советских и многосторонних. — Авт.) в клочок бумаги, не выдерживает критики. Глава государства и правительство находятся на территории Польши… солдаты регулярной армии сражаются».
Двойная игра закончилась. 17 сентября между 3 и 6 часами утра войска обоих советских фронтов вторглись на территорию Республики Польша по всей линии границы. Армии получили приказ как можно быстрее захватить важные военные объекты в глубине польской территории посредством концентрированных рассекающих ударов.
В ночь на 15 сентября появились и боевые приказы, определившие ближайшие задачи Белорусского и Украинского фронтов. Белорусский фронт должен был обеспечить «уничтожение и пленение вооруженных сил Польши восточное Литовской границы и линии Гродно — Кобрин».
Из документов следует, что перед войсками ставилась задача не освобождения украинского и белорусского населения, для чего было достаточно оттеснить польские войска на территорию Венгрии и Румынии, а разгрома Польской армии, ликвидации Польши как государства, в котором сталинское руководство на протяжении 20 — 30-х гг. видело одного из главных своих противников.
Накануне советского наступления Войско Польское насчитывало лишь 50% основного состава. Половина этих сил сражалась на запад от Вислы.
Первая информация о нападении Красной Армии на Польшу была получена руководством страны и главнокомандующим около 6 часов утра 17 сентября 1939г. Донесения носили путаный характер. Вначале рассматривалась альтернатива: вступать в бой или дать символический залп, чтобы продемонстрировать готовность отразить советское нападение. Как вспоминал министр Ю. Бек, «маршал колебался, какие ему отдать приказы войскам в отношении борьбы с советскими частями», но, обдумав положение, «скорее склонен был не принимать боевых действий». Война на два фронта грозила полным уничтожением Польской армии.
В этот же день после 14 часов главнокомандующий маршал Э. Рыдз-Смиглы направил всем войскам приказ, чтобы они не оказывали сопротивления Красной Армии, кроме возможных случаев атак или попыток их разоружения.
Директива главнокомандующего Польской армии из-за плохой связи не дошла до ряда частей. Но даже там, куда она поступила, порой вызывала сомнения и трактовалась как советская провокация. Сомнения усиливали и противоречивые пропагандистские заявления политорганов Красной Армии и оперативников НКВД, когда некоторые советские командиры представлялись как союзники поляков в совместной борьбе с немцами, другие обращались к «польским солдатам», предлагая им повернуть оружие против собственных командиров и присоединиться к братьям по классу. Ясность внесло переданное 18 сентября по радио из Берлина советско-германское коммюнике, в котором говорилось: «Чтобы избежать каких-либо беспочвенных спекуляций относительно задач немецких и советских войск, действующих в Польше, правительство Рейха, а также правительство Советского Союза заявляют, что эти действия не имеют целей, которые противоречили бы интересам Германии или Советского Союза или же входили в противоречие с духом заключенного между Германией и Советским Союзом пакта о ненападении».
В тот же день германская армия и Красная Армия впервые вошли в соприкосновение в районе Бреста.
Серьезные бои польских войск с Красной Армией происходили лишь в северном районе фронта. Прорыв оттуда в Венгрию и Румынию был невозможен; речь могла идти только о прорыве в Литву и Латвию, что и было сделано рядом польских частей. Упорные оборонительные бои вела в Полесье и Волыни, а затем в районе Люблина группа из частей КОП во главе с командиром корпуса генералом В.Орликом-Рюкеманном.
Оборона Гродно, в которой приняла участие школьная молодежь, длилась два дня. Захватившие город расстреляли на месте около 300 его защитников, а также плененного командира корпуса № 3 Й.Ольшину-Вильчинского и его адъютанта. Расстрелу без суда подверглись также в Полесье 150 офицеров. Расстрелы имели место в Августовце, Боярах, Малых и Больших Бжостовицах, Хородове, Добровицах, Гайях, Грабове, Комарове, Полеском Косове, Львове, Молодечно, Ошмянах, Роханыне, Свислочи, Волковыске и Злочове.
Через два часа после перехода Красной Армией советско-польской границы немецкие войска получили приказ «остановиться на линии Сколе — Львов — Владимир-Волынский — Белосток».
21 сентября между Германией и СССР был подписан протокол, зафиксировавший порядок и временные параметры отхода немецких войск на запад до установленной днем раньше демаркационной линии по рекам Писса, Нарев, Висла, Сан. Во исполнение его в этот же день советским войскам был передан приказ наркома обороны, предусматривавший, в частности: «При обращении германских представителей к командованию Красной Армии об оказании помощи в деле уничтожения польских частей или банд, стоящих на пути движения мелких частей германских войск, командование Красной Армии, начальники колонн, в случае необходимости, выделяют необходимые силы, обеспечивающие уничтожение препятствий, лежащих на их пути движения». Несмотря на то, что отдельных инцидентов избежать не удалось, в целом отношения между командованием немецких и советских частей были четко отлажены. Например, начальник штаба Восточной армейской группы Савинов и военком Детухин сообщали Ватутину, что ими согласованы с немцами рубежи движения с целью предотвратить новые инциденты. Они подчеркнули, что «вообще их (т. е. немцев. — Авт.) поведение вежливо-назойливое».
Были случаи боевого взаимодействия советских и германских частей с целью разгрома крупных группировок польских войск, в частности грубешовской группировки, новогрудской бригады генерала В. Андерса. В результате этого был прегражден отход к румынской границе частей полковника Й. Зеленевского.
В целом в течение двенадцати дней боевых действий Красная Армия преодолела линию на глубину от 250 до 350 км, заняв территорию общей площадью 190 тысяч кв. км, с населением в 12 миллионов человек. В советско-польских боях погибло с польской стороны около 3,5 тысячи военных и гражданских лиц, около 20 тысяч были ранены или пропали без вести. Советская сторона официально объявила о 737 убитых и 1862 раненых со своей стороны, о чем было сказано в выступлении Молотова 31 октября 1939г.
Недостаточно четкий приказ главнокомандующего Польской армии, а также отсутствие единой линии по отношению к советским частям там, где этот приказ не был получен, привели к массовому захвату в плен польских солдат и офицеров. Они не находились под охраной Женевской конвенции о военнопленных, поскольку СССР ее не подписывал.
Согласно военным сводкам Красной Армии, публиковавшимся во время «освободительного похода», в первые три дня кампании было взято в плен около 60 тысяч польских солдат и офицеров. Согласно другим, тоже неполным данным, до 21 сентября в руках Красной Армии и НКВД оказалось около 120 тысяч солдат и офицеров Войска Польского. Больше всего солдат и офицеров Войска Польского попали в плен в районе Бреста над Бугом, а также под Владимиром-Волынским, Дубно, Ровно, Сарнами, Таногродем, Тарнополем, Ушчилугем и Задзишками. Во Львове командование РККА, нарушив подписанные с польским генералом В. Лянгнером условия сдачи города, разоружило и направило в лагеря НКВД для военнопленных его защитников. Из советско-германского кольца пробились в Литву около 18 тысяч польских военных, а в Румынию и Венгрию — свыше 70 тысяч.