На Западе началась «странная война», когда время от времени велись ленивые перестрелки.
Советская пресса назвала эту войну «второй империалистической». Молотов заявил: «Бессмысленно и преступно вести такую войну, как война за уничтожение гитлеризма, прикрываемая фальшивым флагом борьбы за демократию».
5 сентября СССР отказал Польше в поставках и транзите военных материалов. До 17 сентября в Мурманске укрывались 18 немецких судов, проследовавших из Северной Атлантики в советские территориальные воды. Попытавшиеся в этой связи приблизиться к краю территориальных вод СССР английские эсминцы были обстреляны советскими дальнобойными батареями.
Истекая кровью, польская армия удерживала фронт к западу от Варшавы, крепость Модлин, Львов, Гдыню и полуостров Хель.
Окруженные польские войска на реке Бзура потерпели жестокое поражение севернее Лодзи. В плен попало около 170 тысяч польских солдат и офицеров. Польской армии не хватало хорошего оружия и техники, а также толковых командиров. Несмотря на слабое стратегическое руководство и недальновидную приверженность к тактике наступательных действий, польские войска сражались 36 дней.
Последнее польское соединение в составе 4500 человек под командованием адмирала Унруга, державшее оборону на косе Хель к северу от Данцига, сдалось немцам 2 октября. В итоге 66 тысяч польских военнослужащих погибли в боях, 130 тысяч — получили ранения.
14 сентября Красная Армия получила приказ «перейти в наступление против Польши для освобождения Западной Украины и Западной Белоруссии от польской фашистской оккупации».
17 сентября Красная Армия силами шести армий и особой конно-механизированной группы имени Дзержинского в количестве 620 тысяч человек вступила в Польшу. От самой границы польская армия оказала упорное сопротивление. Бои развернулись у Вильны, под Львовом, на западном берегу озера Свирь, под Шучином на севере Белоруссии… Не получив подкреплений от западных союзников, польские солдаты стали сдаваться в плен.
Советские газеты воспевали «советско-германское братство по оружию». В Бресте 22 сентября состоялся совместный немецко-советский парад в связи с передачей Вермахтом этого города Красной Армии в соответствии с предварительными договоренностями. Парад принимали советский комбриг С.М. Кривошеин и германский генерал Гейнц Гудериан.
После капитуляции Варшавы 28 сентября в Москву прилетел Риббентроп для подписания договора «о дружбе и границе» и секретного дополнительного протокола. Одна из статей протокола предусматривала отказ СССР от части польских земель между Вислой и Бугом в обмен на Литву (кроме Мариампольского уезда, который, для выравнивания границы у польского города Сувалки, Германия сохранила за собой).
18 сентября польский президент Игнаций Мостицкий и его правительство выехали в Румынию, где были интернированы. Лондон предоставил убежище польскому правительству в изгнании. Президентом в изгнании стал Владислав Рачкевич. Правительство возглавил 30 сентября 1939 года генерал Владислав Сикорский. Он же стал главнокомандующим польской армией, призвал поляков продолжать партизанскую борьбу против завоевателей.
Не сдавшиеся в плен польские части уходили в леса. Они и примкнувшие к ним добровольцы создали Союз вооруженной борьбы с 1942 года, Армию Крайову, подчинявшуюся генералу Сикорскому.
31 октября 1939 года Молотов на заседании Верховного Совета СССР сказал о Польше: «Оказалось достаточно короткого удара со стороны германской армии, а затем Красной Армии, чтобы ничего не осталось от этого уродливого детища Версальского договора, жившего за счет угнетения непольских национальностей».
В 1938 году в Польше проживало 24 млн поляков, 5 млн украинцев и 1,4 млн белорусов. Многие украинцы и белорусы, особенно сельские жители, встречали красноармейцев с радостью, надеясь, что русские и православные власти освободят их от польско-католического гнета.
В октябре 1939 года в занятых СССР районах состоялась инсценировка выборов. Кандидатами могли выдвигаться только коммунисты и сочувствующие им. Сформированные таким образом народные собрания Западной Украины и Западной Белоруссии провозгласили советскую власть и обратились в Верховный Совет СССР с просьбой о воссоединении, которая, разумеется, была удовлетворена. Они представляли собой половину территории бывшей Польши. Виленский округ был передан Литве.
Однако очень быстро местное население разочаровалось в своих освободителях. В деревне началась коллективизация, в городах — отбирание «частной» собственности и аресты «буржуазных националистов». Уже в сентябре по приказу Берии были созданы лагеря специального назначения для всех «врагов советской власти» на новых землях. Было арестовано 120 тысяч человек и 320 тысяч выслано в глубь Советского Союза.