9 сентября в связи с переданной из Берлина информацией о занятии немецкими войсками Варшавы Молотов направил приветствия и поздравления правительству германской империи и передал послу Ф. Шуленбургу, что «советские военные действия начнутся в ближайшие несколько дней». В этот же день был составлен первый вариант директивы наркома обороны СССР К.Е. Ворошилова и начальника Генштаба РККА Б.М. Шапошникова о переходе войсками Белорусского и Украинского фронтов в ночь с 12 на 13 сентября 1939 года советско-польской границы с задачей разгромить польские войска. В директиве определялись задачи на ближайшие два дня для каждой из армейских групп этих фронтов. Однако известие о том, что Варшава все еще держится, по-видимому, заставило перенести дату перехода советскими войсками советско-польской границы на 5.00 17 сентября. Директива об этом была отдана Белорусскому и Украинскому фронтам Ворошиловым и Шапошниковым 14 сентября.
На Белорусском фронте должны были действовать четыре армейские (Полоцкая, Минская, Дзержинская, Бобруйская) и одна конно-механизированная группы. В ночь на 15 сентября издается боевой приказ № 01, в котором определялась «ближайшая задача фронта — уничтожить и пленить вооруженные силы Польши, действующие восточнее литовской границы и линии Гродно-Кобрин».
Армейские группы БОВО получили уже конкретные оперативные задания и приказ, не ожидая окончания сосредоточения всех приданных им частей, в 5.00 17 сентября перейти границу. При этом Полоцкая группа должна была к исходу 18 сентября овладеть районом Свенцяны—Михалишки и далее двигаться на Вильно; Минская — прорвав фронт, к этому же сроку выйти в район Ошмяны—Ивье, с тем чтобы в дальнейшем часть ее соединений оказала помощь Полоцкой группе в овладении Вильно, а остальными силами наступать на Гродно. Дзержинская группа должна была продолжать сосредоточение на границе, в то время как конно-механизированная подвижная группа (КМГ) «обязывалась мощным ударом по войскам противника разгромить их, наступая в направлении на Новогрудок, Волковыск, и к исходу 18 сентября выйти на р. Молчадь на участке от ее устья до м. Молчадь, в дальнейшем двигаться на Барановичи, нанести удар на Волковыск». Бобруйской группе к исходу 17 сентября следовало выйти на подступы к Барановичам. 23-й стрелковый корпус и Днепровская флотилия обеспечивали стык с Украинским фронтом и в течение двух дней должны были овладеть Лунинцом.
В составе Украинского фронта, которым командовал командарм I ранга С.К. Тимошенко, действовали три армейские группы. Правое крыло фронта составляла Шепетовская (Северная) группа. Она была развернута на фронте в 250 км на Ровно — Владимир-Волынском направлении, правым флангом — на Ковельском. Уже 14 сентября закончилось сосредоточение двух ее корпусов в отведенных им районах. 16 сентября группа была полностью готова занять исходное положение. В соответствии с приказом командования фронтом группа должна была к исходу 17 сентября занять Ровно, Дубно, 18 сентября — район Луцка и затем наступать на Владимир-Волынский.
Южнее Шепетовской группы, в центре Украинского фронта, на участке около 90 км разместилась Волочиская (впоследствии Восточная) группа, в состав которой входили 2-й конный корпус, 17-й стрелковый корпус, 10-я, 24-я и 38-я танковые бригады. Перед ней ставилась задача нанести 17 сентября мощный удар по польским войскам в районе Тарнополя, овладеть Езерней, Козовой, Тарнополем, выйти на следующий день в район Буска, Перемышля, Бобрки с дальнейшей задачей овладеть Львовом. При этом предписывалось отрезать польским войскам пути отхода на запад.
16 сентября по войскам Волочиской группы, как и по всем соединениям КОВО и БОВО, был отдан приказ к исходу дня «произвести перегруппировку войск группы и скрытно подтянуть их на 3–5 км к нашим государственным границам в исходное положение», проверить боеготовность и материально-техническую обеспеченность частей. Управлению Украинского фронта было сообщено о готовности армии приступить «к выполнению боевой задачи».
В Каменец-Подольскую (Южную) группу, составлявшую левое крыло фронта и развернутую в радиусе около 70 км в направлении на Станиславов и Дрогобыч, входили 4-й и 5-й конные корпуса, 25-й танковый корпус, 23-я и 26-я танковые бригады, 13-й стрелковый корпус. Перед группой была поставлена задача: разгромить противостоявшие ей части противника и к исходу 17 сентября выйти на р. Стрыпа. Танковой бригаде, усиленной мотопехотой, надлежало захватить железнодорожный узел Коломыя. К исходу следующего дня группе следовало овладеть районом Галича, Станиславова и далее наступать на Стрый и Дрогобыч. Левым флангом группа должна была захлестнуть противника и отрезать ему пути отступления в Румынию и Венгрию.
Непосредственно на границе войскам Украинского фронта могли противостоять лишь части Корпуса охраны пограничья (КОП). Довольно мощным укрепленным районом был район Сарны, защищаемый сводным отрядом в 10 тысяч человек. В Ровно находились на переформировании остатки 7-й, 8-й и 11 — й польских дивизий. Местом сбора небоеспособных частей и создания на их базе новых соединений служили Ковель и Дубно. В районе Тарнополя концентрировалось шесть пехотных дивизий, потерявших в боях с вермахтом значительную часть своего состава. Львов защищала от наступавших германских частей группа генерала В. Лянгнера в 15 тысяч штыков и сабель. Всего же в восточных воеводствах к 15 сентября находилось около 340 тысяч польских солдат и офицеров, 540 орудий, более 70 танков.
В 3.00 17 сентября заместитель наркома иностранных дел СССР В.П. Потемкин зачитал польскому послу в Москве В. Гжибовскому ноту, которую Сталин незадолго до этого откорректировал с учетом пожеланий германского посла. В ней говорилось: «Польско-германская война выявила внутреннюю несостоятельность польского государства… Варшава как столица Польши не существует больше. Польское правительство распалось и не проявляет признаков жизни. Это значит, что польское государство и правительство фактически перестали существовать. Тем самым прекратили свое действие договоры, заключенные между СССР и Польшей. Предоставленная самой себе и оставленная без руководства, Польша превратилась в удобное поле для всяких случайностей и неожиданностей, могущих создать угрозу для СССР».
Как следует из обзора, составленного в штабе КОВО, на восточный берег Вислы и Сана отводились польские армии, которые действовали на западе; в район Брест-Литовска — те части, что были на северо-востоке с задачей обеспечить связь с Румынией; армии генерала Т. Кутшебы, находившейся в окружении, ставилась задача прорваться на юго-восток. Для того чтобы обезопасить армию от возможного окружения, командованию 9-го корпуса поручалось создать заградительную линию Пинск-Брест-Литовск. Одновременно в Ровно, Ковель, Луцк и Дубно были посланы высшие армейские чины с заданием формировать новые части. «Но переход войсками Украинского фронта границы сорвал эти намерения», — констатируется в обзоре.
Польская армия, как правило, выполняла приказ своего главнокомандующего Э.Рыдз-Смиглы, гласивший: «С Советами в бои не вступать, оказывать сопротивление только в случае попыток с их стороны разоружения наших частей… С немцами продолжать борьбу. Окруженные города должны сражаться. В случае, если подойдут советские войска, вести с ними переговоры с целью добиться вывода наших гарнизонов в Румынию и Венгрию».
17 сентября, выступая по радио, Молотов подчеркнул, что польское государство обанкротилось и фактически перестало существовать. На следующий день было подписано советско-германское коммюнике, в котором прямо говорилось об общей задаче СССР и Германии в войне против Польши, которая «состоит в том, чтобы восстановить в Польше порядок и спокойствие, нарушенные распадом польского государства, и помочь населению Польши переустроить условия своего государственного существования».
Намереваясь «немедленно взяться за решение проблемы прибалтийских государств в соответствии с Протоколом от 23 августа» и ожидая «в этом деле полную поддержку со стороны германского правительства», Сталин 25 сентября выразил готовность передать Германии населенные поляками Люблинское воеводство и правобережную часть Варшавского в обмен на Литву. Германия дала на это согласие.