Окончательно судьба Польши решилась 17 сентября, когда Красная армия перешла восточную границу. В этой ситуации для немцев главным было избежать столкновения с советскими войсками и эвакуироваться с захваченных территорий, которые, согласно пакту от 23 августа, входили в зону советского влияния.
25 сентября началось планомерное сжатие кольца вокруг Варшавы. Люфтваффе привлекла к операции около 1200 самолетов, в том числе тяжелые транспортники, которые сбрасывали на город зажигательные бомбы. Город заволокло густой пеленой дыма, мешавшей артиллерии и авиации находить цели, что вызвало огромные потери среди мирного населения (несмотря на заверения Гитлера, обещавшего, что в ходе войны не пострадают женщины и дети). Имели место также стычки между сухопутными и воздушными силами. Гитлер приказал авиации продолжать атаки, однако потребовал от нее, как и от наземных вооружений, большей прицельности стрельбы. 26 сентября на Варшаву сбросили тысячи листовок, требовавших немедленной капитуляции. Командующий Варшавским военным округом генерал Роммель отправил двух эмиссаров, предложивших объявить перемирие на один день, чтобы провести переговоры. Немцы в ответ потребовали полной и безоговорочной капитуляции. 27 сентября с раннего утра возобновились массированные артиллерийские бомбардировки, и капитуляция была объявлена. 28-го к полудню бои в польской столице, превращенной в груду развалин, прекратились. В плен сдалось около 120 тыс. человек. 1 октября генерал Роммель официально передал свои войска под командование генерала Бласковица. 2 октября немецкая армия во главе с Гитлером вошла в Варшаву. 3-го фон Рундштедт был назначен «верховным восточным главнокомандующим». 13-го была проведена демаркационная линия между советскими и немецкими войсками.
В результате этой первой молниеносной войны погибло 70 тыс. поляков, 133 тыс. человек получили ранения. Точное число пропавших без вести неизвестно. Около пяти тысяч человек погибли в боях против частей Красной армии – число раненых и пропавших без вести также неизвестно. Германия потеряла 11 тыс. убитыми, 30 тыс. ранеными и 4400 пропавшими без вести. Потери СССР составили 700 человек убитыми и 1900 ранеными.
Стремительность победы немцев объяснялась в первую очередь слаженностью действий танковых, пехотных и воздушных подразделений – это было новшество, которое впоследствии доказало свою эффективность в будущих кампаниях. Успеху также способствовала безупречная работа Генерального штаба, быстро и четко отдававшего приказы о проведении боевых операций.
Поражение Польши вопреки ожесточенному сопротивлению отчасти можно объяснить поведением западных держав. Согласно военному договору, подписанному в мае 1939 года между Гамеленом и польским военным министром Капшицким, в случае нападения Германии на Польшу Франция должна была на третий день после объявления мобилизации предпринять воздушную атаку и ограниченные наступательные действия, а также широкомасштабное наступление начиная с 15-го дня. Но французское правительство тянуло с ратификацией договора, который в связи с этим не имел юридической силы. Впрочем, к 15 сентября большая часть польской армии была уже уничтожена, чего никто не ожидал: все были уверены, что Польша самостоятельно продержится как минимум три или четыре месяца.
28 сентября, после подписания соглашения, немного изменившего статьи секретного протокола от 23 августа, Германия отдала Советскому Союзу Литву – в обмен на Люблин и линию Буга. Эта «вторая Силезская война», как Гитлер называл ее по аналогии с молниеносной войной Фридриха II Прусского в XVIII веке, принесла ему, не считая территориальных приобретений в Восточной Пруссии и Силезии, Данциг, Западную Пруссию и бассейн Варты. Оставшаяся часть Польши с центром в Кракове 12 октября перешла под управление генерал-губернатора Ганса Франка, печально известного как «польский палач». Точный статус «генерал-губернаторства» так и не был определен.
Таким образом, Германия получила половину Польши с населением 20 млн человек, из которых 15 млн составляли поляки, 2 млн – евреи и более миллиона – «этнические немцы» (фольксдойче). Под польским правлением это этническое меньшинство испытывало определенные притеснения: 70 тыс. человек бежали из Польши и к концу августа 1939 года находились в немецких лагерях для беженцев, однако подавляющая их часть служила в польской армии. С началом боевых действий отношения между поляками и фольксдойче обострились, и 3 сентября в Бромберге немалое число последних было расстреляно. После победы фольксдойче стали причислять себя к «расе господ» и в годы оккупации занимали высокие посты.