Вмешательство СССР лишило поляков последней надежды организовать оборону на востоке. Оно оказалось для польских властей полной неожиданностью. Поляки оказали упорное сопротивление лишь в отдельных местах (Сарненский укрепрайон, Тарнопольский и Пинский районы, г. Гродно). Это точечное сопротивление (в основном частей жандармерии и военных поселенцев) было быстро подавлено. Основные же силы польских войск, деморализованных быстрым разгромом немцами, в столкновениях на востоке не участвовали, а сдавались в плен. Общее число взятых в плен превысило 450 тыс. чел. (для сравнения: немецкой армии сдалось 420 тыс. чел.).
В известной степени советское вмешательство, ограничивавшее германскую зону оккупации в Польше, предоставляло шанс тем, кто по тем или иным причинам не хотел попасть к немцам. Этим отчасти объясняется большее число пленных, сдавшихся Красной Армии, а также приказ главнокомандующего польской армией Рыдз-Смиглы воздерживаться от боевых действий с Советами.
19–20 сентября 1939 года передовые советские части вошли в соприкосновение с германскими войсками на линии Львов — Владимир-Волынский — Брест — Белосток. 20 сентября между Германией и СССР начались переговоры о проведении демаркационной линии. Они завершились в Москве 28 сентября 1939 года подписанием советско-германского договора о дружбе и границе между СССР и Германией. Новая советская граница прошла в основном по так называемой «линии Керзона» (рекомендованная Верховным советом Антанты в 1919 году восточная граница Польши). По достигнутым договоренностям немецкие войска отошли к западу от ранее занятых рубежей (в районе Львова, Бреста и др.). На переговорах в Москве Сталин отказался от первоначальных претензий на этнически польские земли между Вислой и Бугом. Взамен он потребовал отказа немцев от притязаний на Литву. Германская сторона согласилась с таким предложением. Литва была отнесена к сфере интересов Советского Союза. Взамен чего СССР согласился на переход в зону германских интересов Люблинского и части Варшавского воеводств.
После заключения договора о дружбе Советский Союз включился в интенсивный экономический обмен с Германией, поставляя ей продовольствие и стратегические материалы — нефть, хлопок, хром, другие цветные металлы, платину и иное сырье, получая взамен антрацит, стальной прокат, машины, оборудование и готовые изделия. Поставки сырья из СССР во многом сводили на нет эффективность экономической блокады, введенной с началом войны против Германии западными странами. Об активности внешнеэкономических связей свидетельствовал рост доли Германии во внешней торговле СССР. Эта доля с 1939 по 1940 г. выросла с 7,4 до 40,4 процента.
Во время Польского похода 1939 года урон Красной Армии составил 715 чел. убитыми и 1876 чел. ранеными. Поляки потеряли в боях с ней 35 тыс. чел. убитыми, 20 тыс. ранеными и свыше 450 тыс. чел. пленными (из них основная часть, прежде всего рядовой состав из украинцев и белорусов, была распущена по домам).
Осуществив Польский поход, Советский Союз фактически вступил во Вторую мировую войну в качестве третьей силы, которая стояла над коалициями и преследовала свои узкоконкретные цели. Независимость от союзов давала СССР (в отличие от царской России перед Первой мировой войной) возможность внешнеполитического маневра, прежде всего в игре на германо-английских противоречиях.
Каждая из вступивших во Вторую мировую войну сторон была заинтересована в привлечении на свою сторону СССР, который обладал достаточным военным могуществом и обеспечивал восточный тыл общеевропейского конфликта. И Советский Союз, соблюдая дистанцию по отношению к ведущим державам, умело извлек выгоду из своего «привилегированного» положения. Власти СССР использовали редкий исторический шанс и без особого труда реализовали за год свои территориальные интересы на Западе.
Впрочем, легкость, с которой был осуществлен Польский поход, оказала расхолаживающее влияние на военно-политическое руководство СССР. В частности, этот успех, достигнутый прежде всего за счет разгрома Польши силами вермахта, советская пропаганда представила в качестве подтверждения тезиса «о непобедимости Красной Армии». Подобные завышенные самооценки усилили шапкозакидательские настроения, которые сыграли отрицательную роль в советско-финляндской войне (1939–1940) и при подготовке к отражению германской агрессии.