9月17日の時点ではポーランドの当初に計画された防衛線はすでに崩壊していた。ポーランドの唯一の望みは国土の東南部（いわゆるルーマニア橋頭堡）までうまく後退して体勢を立て直すことであったが、その望みは突然にして断たれることとなった。ソ連赤軍が80万人もの兵力を擁してベラルーシとウクライナから二手に分かれ、まだ戦闘地域ではなかったポーランド東部国境地帯 (Kresy) に侵攻してきたのである。この行為は、ポーランド・ソヴィエト戦争の講和条約として1921年に締結されたリガ条約、1919年の国際連盟憲章（ソ連は1934年に国際連盟に加盟）、1928年のケロッグ＝ブリアン条約（パリ不戦条約）、1933年にロンドンで締結された侵略の定義に関する条約などの国際法に違反する。ソ連は、「国家崩壊が差し迫ったポーランドにおけるウクライナ系住民とベラルーシ系住民の保護」を大義名分としたが、実際のところはモロトフ・リッベントロップ協定の「秘密議定書」に詳記された、ドイツとソ連とでヨーロッパを二分するという示し合わせに基づいた共同侵略行為であった
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およそ25大隊からなるポーランド国境防衛隊は東部国境防衛の任務についていたが、それでもソ連の大規模な侵入は防ぐことはできず、ルィツ＝シミグウィ元帥は国境防衛隊に対し、ソ連軍とは直に交戦することを避けて退却せよと命令した。それでも多少の小ぜり合いや戦闘は避けることができなかった。グロドノの戦いでは兵士だけでなく地元の市民までもが防衛戦に参加した。ソ連軍はポーランド軍司令官の一人ユゼフ・オルシナ‐ヴィルチニスキ将軍を含むポーランド人捕虜や、民間人の多数を殺害した。ウクライナ人もポーランド人に対する暴動を起こした。また共産主義ゲリラが各地の反乱を組織し、たとえばスキデルという街ではこの手のゲリラによってポーランド人に対する強盗や殺人が行われた。
ソ連軍による侵攻はポーランド政府に自国の敗戦を覚悟させる決定的な要素となった。東方からのソ連軍侵攻に先立って、ポーランド軍は自らの西側同盟諸国が西からドイツへ攻撃するのを待つ間、東南部地域のルーマニア国境付近における長期防衛戦を敢行しようとしていた。ナチス・ドイツとソビエト連邦という2つの強敵に直面したポーランド政府は、ポーランド領土の防衛はもはや不可能であると判断した。しかし、ポーランド政府はドイツへの降伏やドイツとの交渉を拒否し、全軍に対しポーランドからの脱出とフランスでのポーランド軍再編成を命令した。
その間にも、ポーランド軍の各部隊はルーマニア橋頭堡地方に向けて移動し、ドイツの侵略に対し活発な抵抗を試みていた。9月17日から9月20日にかけて、「クラクフ」軍団と「ルブリン」軍団はドイツ軍によるポーランド侵攻9月作戦における2番目に大きな戦いであるトマシュフ・ルベルスキの戦いにおいて敗北を喫した。ルヴフ市はいかにも奇怪なこの戦争を例示する一連の出来事のなか9月22日に開城した。というのは、1週間前からドイツ軍がこの街を攻撃していたのに、開城はソ連に対して行われたのである。攻囲の最中にドイツ軍が同盟軍であるソ連軍にこの街を譲り渡したのだった。