9月3日，德國外長裏賓特洛甫致電蘇聯外長莫洛托夫，建議蘇聯軍隊進入波蘭東部地區。
9月17日，當德國第19軍團攻陷布列斯特·利托夫斯克的時候，蘇聯軍隊開進了波蘭。蘇聯的這一行動不僅完全出乎波蘭人的意料，而且也讓德國軍隊大為吃驚。因為他們都還對8月23日簽訂《蘇德互不侵犯條約》中的秘密條款一無所知（秘密條款中詳細說明了一旦發生對波蘭的戰爭，兩國將如何處理波蘭等問題）。德國考慮波蘭可能會在蘇聯控製下的東部地區建立某種形式上的政權，這樣，波蘭除東部以外的地區就部處在德國的控製之下了。蘇聯起初並不知道德國何時入侵波蘭，所以對德軍進攻的驚人速度頗感意外。但是斯大林想要確保蘇聯對波蘭東部的控製，並在德國占領的波蘭和蘇聯領土之間建立一塊緩衝地帶。莫洛托夫奉命告知裏賓特洛甫說，蘇聯將在有充足軍隊可以部署的情況下進入波蘭，而這一天就是1939年9月17日。
蘇聯進入波蘭的部隊分為兩個方麵類似於集團軍的部隊，總共有20多個步兵師，15個騎兵師和9個坦克旅組成。白俄羅斯方麵軍由陸軍司令科瓦廖夫率領4支小部隊組成，任務是占據從布列斯特一利托夫斯克以北到立陶宛邊界的波蘭領土；烏克蘭方麵軍由陸軍司令鐵木辛哥率領3個軍，它的任務是進入普裏皮亞特河以南的波蘭領土，其中利沃夫是它奪取的目標。在烏克蘭方麵軍最南麵的一支部隊是第12軍，這是一支機械化部隊，它的任務是阻攔企圖撤退到南麵羅馬尼亞和匈牙利安全地帶的波蘭軍隊。駐守東部的波蘭軍隊僅由國民自衛隊、邊防警備部隊和一小部分預備役騎兵組成。
起初，波蘭軍隊還以為蘇聯紅軍是來幫助他們的，尤其是他們看到蘇軍避免與波蘭軍隊發生直接衝突。但是隨著蘇聯紅軍向波蘭內地深入，有些蘇聯機械化先頭部隊在頭兩天就已深入波蘭境內100公裏了，形勢也就趨於明朗化了：紅軍所到之處，波蘭軍隊都被俘獲，然後很快被解除武裝，如果遇波軍抵抗，就會隨時爆發戰鬥。
蘇軍落井下石的進入無疑使已經麵臨絕境的波軍最高指揮部雪上加霜。蘇軍到達利沃夫右側，波軍在該地建立任何形式的橋頭陣地的可能性已不複存在。因此，波軍最高指揮部命令所有軍隊撤退到匈牙利黨和羅馬尼亞，越過德國進攻部隊，殺出一條血路來；但麵對蘇聯軍隊，最高指揮部的命令是，除非被蘇軍阻攔，否則就盡量悄悄繞過他們的部隊。9月17日，波蘭總統和政府官員，連同斯密格萊·利茲都逃往了羅馬尼亞。鑒於羅波兩國從前存在友好關係，很多波蘭人跑到羅馬尼亞尋求戰爭避難。但就在第二天，由於德國通過外交手段向羅馬尼亞施加了強大壓力，逃往羅馬尼亞的波蘭難民紛紛遭到拘留或被遣送回國。
蘇聯紅軍進入波蘭東部的突然行動給德軍帶來了一些特殊難題。《蘇德互不侵犯條約》規定蘇德兩國將沿納雷河-維斯拉河-散河一線分治波蘭，因此蘇聯紅軍進入波蘭後，就告知德軍應撤離到該線以西的地區。但9月17日，大多數德軍還在該線以東忙於肅清波蘭剩下的反抗部隊。但如果此時撤離，波蘭軍隊就有機會撤退到匈牙利和羅馬尼亞尋求避難。
蘇聯紅軍突然侵入所帶來的另一個深層的問題就是讓兩國的士兵很難區分敵友。在很多場合，德軍和蘇軍相互開火，造成了雙方人員傷亡。但是，這樣的事件相對而言還是比較少的。一般說來，德軍的撤退是一項井然有序的行動，而且蘇、德兩國軍隊之間還存在一定程度的友善關係，在兩國的宣傳資料中也記載了許多這樣的事件。例如，9月22日，在布列斯特·利托夫斯克，德、蘇兩國裝甲部隊聯合遊行之後，立刻舉行了由兩軍最高指揮官古德裏安將軍和克裏沃斯基將軍參加的宴會。