由于在苏联、波兰边界的中部是不利于机械化部队行动的沼泽,因此苏军计划从边境的北段和南段由白俄罗斯方面军(司令员为二级集团军司令米哈伊尔·普罗科菲耶维奇·科瓦廖夫)和乌克兰方面军(司令员为谢苗·康斯坦丁诺维奇·铁木辛哥)实施大纵深钳形攻势,第聂伯河舰队的浅水炮艇也将进入波兰内河为乌克兰方面军提供火力支援。
     为了显示这次进攻的“正义性”,除了传单,苏军还为前线部队发三个月的军饷,由这些部队在进入波兰境内时向居民慷慨发放。9月16日,苏军总参谋部下达给前线各集团军最终的任务是:歼灭波兰武装力量,夺取重要的战略设施,不让波兰军队撤向匈牙利和罗马尼亚,俘虏投降的人。
     在部队传达的秘密文件中则对进攻行动要领则有进一步解释:“红军必须坚决镇压波兰白匪的任何抵抗……前锋部队,本着与德国新关系的精神,将与德军部队在相应的战地地图上所表示的界线,以战友会师的方式来对待双方的相遇。”
     9月17日凌晨,从乌克兰境内起飞的SB轰炸机群开始了对东波兰指挥中心利沃夫进行轰炸。在122毫米榴弹炮、76毫米加农炮摧毁了为数不多的波兰边境防御工事后,苏联军队的骑兵和快速坦克很快沿公路进入了波兰。在边境的大多数地段,在苏军的突然一击下,波兰军队,很快就被击溃了。
     苏联进攻的消息使得已经濒临崩溃的波兰军队十分震惊,无可奈何中,波军总司令爱德华·雷茨一斯米格里元帅9月18日下令不要抵抗红军,他的理由是:斯拉夫人也许会来帮助我们的斯拉夫人!事实上,苏联军队的进攻,使得波兰军队的撤退桑河之后, 依托罗马尼亚边境进行抵抗的“罗马尼亚桥头堡”计划还没有实施就破产了。 英国和法国原指望波兰军队应该能保卫那个区域2-3 个月, 而波兰人则认为他们在那里至少能坚持6个月,等待英法联军的反攻。
     对于苏军的进攻,绝大多数德国将领也是吃惊的。冯·隆将军在其回忆录中写道:9月16日接到了德国驻莫斯科武官苏军即将进入波兰通知后,他立刻打电话给最高统帅部的约德尔将军,而约德尔将军在震惊之余立即反问:“是对着谁来的?”其声音颤抖无比,简直不像他本人了。
     尽管波军总司令对苏军的进攻采取了放弃抵抗的态度,但在20年代初战争中遗留下来的仇恨,并没有让苏军的进攻完全变成一场“和平进军”(战后苏联的历史书千篇一律是这样描述的)。
     白俄罗斯方面军的行动相对纪律较好,一些部队通过与村民分享自己的口粮,让波兰人见到了“今后在俄罗斯怀抱中的美好生活”。但是沿南线进攻的乌克兰方面军的部队,则因为充斥着为1920年战争复仇的情绪,在行军沿线留下更多暴行。按照事后波兰人的说法:有数以万计波兰平民死于苏联红军“和平进军”。
    在Karczowka镇,苏军把 24个身份可疑的人绑在铁丝网上枪决了; 在Luboml, 乌克兰方面军在三天时间内枪杀了约500个波兰人;在Brzezany,一位受伤的“资产阶级传教士”,被苏军放在路边当成了射击的靶子,临死之前中了十二枪!
     在另一方面,尽管波兰政府下达了不抵抗的命令,而且南部利沃夫据守的东波兰波军总指挥兰格内尔将军在10个小时的谈判之后,接受了苏军的条件并于9月22日投降,但是在北部白俄罗斯方面军的进攻路线上,有一些顽强的波兰军队却没有放弃他们的职责。
     未服从总司令部命令的波兰军队,以伏击和据垒固守的方式进行了抵抗,其中最着名的一次狙击发生在卡德兹瓦茨,苏军的快速纵队遭到了波兰守军用37毫米Bofors wz.36(600米30度穿深26毫米)反坦克炮的攻击,有20辆BT7轻型坦克在守军的近距离直射中像火柴盒一样燃烧了起来(波兰人的数字)。
     波军在防御战中最着名的据点,则还有格罗德诺和维尔诺,特别是格罗德诺,困守家园的波兰第81“格罗德诺”团在苏军一个骑兵师又一个坦克旅的围攻下坚持了9月21、22日两天,并且毙伤苏军800人,击毁坦克10辆。为了报复抵抗行动,白俄罗斯方面军在攻取该城之后,马上在就地枪决了300名波兰人。
     相对于部分据点守军的顽抗,另一部分波兰军队既不想违抗最高统帅部不抵抗的命令,又对落入苏联红军之后的命运感到担忧,他们在苏军与德军会师并彻底封闭南下道路之前,选择了向罗马尼亚、匈牙利、立陶宛等国的流亡(共约14万人),这包括9月份组建波兰的惟一一个雷诺R35坦克营。
     总体说来,尽管苏军的大进军中暴露出通讯联络不畅、步坦协同不力等种种问题,但这一切又都掩盖在波兰军队迅速崩溃后的大捷中了,9月18日,乌克兰方面军的先头部队就在布列斯特要塞与德军会师,双方以联合阅兵庆祝了这一相遇。25日,苏军全线进抵秘密协定中规定的分界线,并开始了与德军共同围剿参与波兰抵抗者的行动。