在德波战争初启之际，德国高层即敦促苏联介入波兰战事，目的在于借苏联之力增强自身威慑，迫使英法两国保持克制，从而加速波兰的征服进程。他们更寄望此举能诱使英法向苏联宣战，进而深化德苏关系，显著改善德国的战略地位。苏联方面虽有意出兵，但强调需待“合适时机”。

1939年9月5日，针对德国要求苏联自东线进攻波兰的提议，苏联外交人民委员莫洛托夫回应称“时机尚未成熟”。至9月8日，德军已兵临华沙城下。次日午后，莫洛托夫通知德国，苏联将于数日内采取行动。最终，苏联于9月16日确定了具体的出兵日期，并于9月17日，即德国第19集团军占领布列斯克之际，派遣约60万大军进入波兰。苏联方面认为，波兰国家与政府已实际解体，故不再受先前苏波互不侵犯条约的约束。为阐明此次行动，苏联政府向波兰驻莫斯科大使递交了正式照会，阐明波兰政府已瓦解，国家与政府实体不复存在，因此双方间条约自动失效。同时，苏联政府强调对波兰境内乌克兰与白俄罗斯族裔命运的深切关怀，指出这些同胞处于无助状态，亟需保护。基于此，苏联政府命令红军总司令部所属部队跨越国界，以保障西乌克兰与西白俄罗斯地区居民的生命财产安全。

值得注意的是，波兰政府实际于9月17日傍晚撤离本土，而波兰总司令部则在次日清晨，即苏联红军入境后24小时方撤离，具体时间为凌晨5时40分。此时，由米•普•科瓦廖夫指挥的白俄罗斯方面军与谢•康•铁木辛哥率领的乌克兰方面军，共计7个集团军、约40个师（含20多个步兵师、15个骑兵师与9个坦克旅）的兵力，已全面展开行动。在白俄罗斯方面军指挥官米哈伊尔·普洛特尼科夫（米•普•科瓦廖夫）的率领下，负责占领从布列斯特－利托夫斯克以北延伸至立陶宛边界的波兰领土。同时，由谢尔盖·康斯坦丁诺维奇·铁木辛哥指挥的乌克兰方面军，则深入普里皮亚特河以南的波兰地域，其关键目标是夺取利沃夫市。在乌克兰方面军的南端部署了第20机械化军，该部队负责阻击试图逃往罗马尼亚与匈牙利安全地带的波兰军队。苏联快速兵团在穿越逾千公里的苏波边界后，依托8个航空兵群的空中支援，迅速突破波兰防线，并于当夜控制了波列西耶地区。

波兰东部防线主要由国民自卫队、边防警备部队及少量预备役骑兵构成，其防御力量薄弱，源于波兰对苏联此等规模的入侵毫无防备，尤其是在当时的历史背景下。初期，波兰军队甚至误以为苏联红军是来援助对抗德国人的，以致于在某些地方，波兰边防士兵在晨雾中误将装载红军士兵的马车当作友军，甚至应红军的呼喊“别开枪！我们是来帮你们打德国人的”而迷惑，乃至在领头车辆上竖起白旗，使苏联红军未遇抵抗即通过多处防线。随着苏军深入波兰腹地，部分机械化先锋部队在首两日内即挺进超过100公里，真相逐渐明朗：苏联并非援助波兰，而是对其发起了侵略。所到之处，波兰军队或被俘虏并迅速解除武装，任何抵抗行为均遭到苏军的严厉镇压。

此次苏联红军的入侵，对业已陷入绝境的波兰军队最高指挥部而言，无疑是雪上加霜。在苏波边境，波兰仅部署了25个边防营，且这些部队已因德国的攻击而自顾不暇，无力抵御来自背后的苏联攻势。随着苏联军队逼近利沃夫东侧，波兰的防御体系进一步瓦解。在军事行动中，波兰军队构建桥头阵地的潜在性已被彻底消除。1939年9月18日，已撤离至罗马尼亚的波兰军队总司令斯米格威－雷兹元帅颁布指令，要求所有部队全面撤退至罗马尼亚与匈牙利境内，除非面临苏联的直接进攻或武装解除威胁，否则不得与之对抗。然而，此命令措辞含糊且未能全面传达至波兰全军，导致部分未获知的部队仍继续与苏联红军在格罗德诺、科布林等地发生冲突。与此同时，苏联先头部队与德军汇合，并协商确立了两者西进与西撤间的25公里安全缓冲区。随后，苏军于22日自德军手中接管布列斯特要塞，迫使利沃夫守军投降，并进一步占据比亚韦斯托克，至25日已推进至布格河与桑河防线。

苏联红军对波兰东部的快速渗透，为德军带来了新的战略挑战。根据《苏德互不侵犯条约》所界定的分界线——纳雷夫河至维斯瓦河再至桑河，苏联的入侵迫使德军必须撤离至该线以西。然而，德军当时仍集中力量于该线以东区域清剿波兰残余势力，若即刻撤退，恐将为波兰军队提供重组及撤退至罗马尼亚或匈牙利的时机。此外，苏军突入引发的另一重要问题，是敌我辨识的严重困难，导致德军与苏军在多个场合发生误击，造成了一定程度的伤亡，尽管此类事件及其损失相对有限。随后的德军撤退行动展现了较高的组织性，同时，苏德两国军队间亦展现出了某种程度的相互理解与友好互动，这些事例亦被双方宣传材料所记录。特别值得注意的是，9月22日在布列斯特－利托夫斯克地区发生的正面交流即为典型例证。在德苏两国装甲部队联合展示力量之后，随即举行了一场由双方最高指挥官——古德里安将军与克里沃斯基将军共同出席的正式晚宴。此晚宴，作为两大战胜国在被征服土地上的一次外交聚首，虽氛围未及融洽，却因共同目标而简化了诸多礼仪程序。古德里安将军在其回忆录中提及此宴时记录道：

“一位年轻军官，作为俄国方队的前导，乘坐装甲侦察车，通报了紧随其后的俄国战车旅动向。由此，我们确认了德国外交部门所确认的边界线位置：布列斯特已划归俄国，以布格河为界。这一划分对德国而言，显然不尽理想；随后，我们接获指令，需在9月22日前撤退至分界线以西。时间紧迫，不仅需紧急转运伤员，连修复受损战车亦显仓促。值得注意的是，此类外交谈判似乎鲜有军事人员参与。“交接日，我的对应方是俄国准将克利弗金，同样身为战车指挥官，他略通法语，使我们得以进行基本交流。鉴于外交部未提供明确指导，我采取了友好姿态处理所有移交事宜。我方装备悉数撤回，但所俘获的波兰物资因时间紧迫，无法组织足够运力而被迫遗留。最终，我们以一场告别阅兵式及对两国国旗的致敬，结束了在布列斯特－列托夫斯克的驻留。”

对于部署于波兰南部的德军第14集团军而言，执行撤退命令面临挑战，因其还承担着阻止波兰军队大规模流向匈牙利与罗马尼亚的战略任务。9月10日，德军对古城普热梅希尔发起围攻，同时，第14集团军主力正向利沃夫地区推进。至9月12日，德军第一山地师抵达利沃夫，却遭遇了波兰军队的顽强抵抗。德军鉴于战局发展，被迫实施一项有限的包围战术。9月13日，德军发动猛烈攻势，旨在重夺战略要地。次日，利沃夫即陷入包围状态。至9月20日，尽管包围持续，龙德施泰特将军却下令第14集团军撤离利沃夫，将其控制权移交给苏联红军，并指示部队向西转移以进行休整。然而，局势突变，驻守利沃夫的波兰军队竟意外地向德军投降，这一举动完全出乎德军预料。在德国第14集团军西撤途中，遭遇了向南撤退的波兰军队，双方虽有数次小规模冲突，但多数波兰军队选择避开德军，向安全区域转移。据曾任波兰炮兵军官的斯维克茨基上校回忆，当时有约6万波兰士兵抵达匈牙利，另有3万人穿越边境进入罗马尼亚，而在北方，还有1.5万军队抵达立陶宛波罗的海沿岸。这些流亡士兵随后大多前往法国，并在那里重组为新的波兰军队，他们背负着战败与亡国的沉重苦难，这些痛苦将长久地伴随其流亡生涯。

一位波兰军官详细记录了其部队进入匈牙利的情形：一个秋日的清晨，队伍穿越风景如画的山区，踏上了异国他乡的土地。队伍中弥漫着深深的哀伤，副团长斯大诺茨基少校甚至难以自禁，当众落泪。数小时的行军中，未见一人影。穿越峡谷，前往韦什库夫茨基的路上，沿途尽是废弃的车辆与焚烧的文件，景象凄凉。团副骑摩托车侦察归来，报告前方数公里内空无一人。接近边境时，偶遇一队人群与数百辆汽车，再往前便是崇山峻岭与深邃峡谷，标志着边境的临近。此时，一位热情的匈牙利陆军少校上前致意，并向随行的波兰长枪骑兵承诺，他们将在匈牙利获得安宁的生活。随后的日子里，这些波兰士兵在匈牙利开始了新的生活。德军针对波兰境内尚未征服的区域，发动了全面且强力的军事行动，旨在彻底征服剩余波兰军队。尽管面临德军压倒性的攻势，波兰军队仍展现出坚定的抵抗意志，特别是在库特诺战役后，成功突围的波兰部队显著增强了其对首都华沙的防御部署。

至9月15日，战局发展至关键时刻，德国第10集团军与第3集团军分别从南部与北部两个方向对华沙实施了战略合围，进一步加剧了波兰首都的防御压力。