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. ОлыиинуВильчинского 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, Полеским 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 выделяет 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 тысяч 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 1939 г.
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, атакже под Владимиром-Волынским, Дубно, Ровно, Сарнами, Таногродем, Тернополем, 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 пробилось в Литву около 18 тысяч польских военных, а в Румынию и Венгрию — свыше 70 тысяч.