14 сентября был подписан и передан командующему войсками Белорусского фронта Ковалёву и заместителю наркома обороны Г. И. Кулику для войск Украинского фронта окончательный вариант приказа о начале военных действий против польских вооруженных сил. К исходу 16 сентября предписывалось скрытно сосредоточить войска округа и быть готовым к решительному наступлению «с целью молниеносным ударом разгромить противостоящие войска противника». Приказывалось начать наступление «с перехода государственной границы» на рассвете 17 сентября.

В 4 часа утра 15 сентября Ковалёвым и другими членами Военного совета БОВО в свою очередь был подписан приказ по войскам Белорусского фронта. В нём, в отличие от приказа наркома обороны, содержалась и политическая мотивировка перехода границы: необходимость прекратить кровавую бойню, якобы затеянную «правящей кликой» Польши против Германии, помочь якобы восставшим рабочим и крестьянам Белоруссии, Украины и Польши, не допустить захвата территории Западной Белоруссии Германией. Последний тезис первоначально присутствовал и в ноте Советского правительства, которую намеревались вручить послу Польши в СССР, однако по настоянию германской стороны он был устранён из данного документа.

17 сентября утром в Берлине получили следующую телеграмму от Шуленбурга: «Сталин в сопровождении Молотова и Ворошилова принял меня в два часа ночи и проинформировал, что Красная Армия перейдёт в 6 часов утра советскую границу на всей её протяженности от Полоцка до Каменец-Подольского. Во избежание инцидентов срочно просит позаботиться, чтобы немецкие самолёты, начиная с сегодняшнего дня, не летали восточное линии Белосток — Брест-Литовск — Лемберг (Львов). Начиная с сегодняшнего дня советские самолёты начнут бомбардировать район восточное Лемберга».

На границе с Польшей было сконцентрировано около миллиона солдат, отборные танковые части, авиация. Это лишний раз свидетельствовало о том, что начавшееся наступление отнюдь не являлось «обеспечивающим безопасность» или «действиями по защите братского белорусского и украинского народа», — но военными действиями, рассчитанными на уничтожение регулярных частей Польской армии и пограничных сил. Об этом свидетельствует и директива Военного совета Украинского фронта командующему пограничными войсками НКВД Киевского военного округа комдиву В. В. Осокину, потребовавшая закрыть польско-румынскую границу и «не допустить ни в коем случае ухода польских солдат и офицеров из Польши в Румынию».

Ранним утром 17 сентября заместитель наркома иностранных дел СССР В. П. Потёмкин вызвал В. Гжибовского и попытался вручить ему подписанную Молотовым ноту с обоснованием правомерности советских действий. Вступление советских войск на территорию Республики Польша обосновывалось в ноте как реакция на то, что «польское государство и его правительство фактически перестали существовать». Приводился и аргумент о защите якобы оказавшихся в опасности в связи с распадом Польши «братьев украинцев и белорусов».

Данное заявление находилось в явном противоречии с реальным положением дел на территории Польши. Капитуляция Варшавы была подписана только 28 сентября. Польский президент, правительство и Верховное командование РП покинули страну лишь в ночь с 17 на 18 сентября. Ещё утром 17 сентября главнокомандующий пытался провести перегруппировку войск, что было сведено на нет, как признавал начальник штаба КОВО Н. Ф. Ватутин, советским наступлением.

Гжибовский категорически отказался принять прочитанную ему Потемкиным ноту, заявив, что «ни один из аргументов, использованных для превращения договоров (польско-советских и многосторонних. — Авт.) в клочок бумаги, не выдерживает критики. Глава государства и правительство находятся на территории Польши… солдаты регулярной армии сражаются».

Двойная игра закончилась. 17 сентября между 3 и 6 часами утра войска обоих советских фронтов вторглись на территорию Республики Польша по всей линии границы. Армии получили приказ как можно быстрее захватить важные военные объекты в глубине польской территории посредством концентрированных рассекающих ударов.

В ночь на 15 сентября появились и боевые приказы, определившие ближайшие задачи Белорусского и Украинского фронтов. Белорусский фронт должен был обеспечить «уничтожение и пленение вооруженных сил Польши восточное Литовской границы и линии Гродно — Кобрин».

Из документов следует, что перед войсками ставилась задача не освобождения украинского и белорусского населения, для чего было достаточно оттеснить польские войска на территорию Венгрии и Румынии, а разгрома Польской армии, ликвидации Польши как государства, в котором сталинское руководство на протяжении 20–30ёх гг. видело одного из главных своих противников.

Накануне советского наступления Войско Польское насчитывало лишь 50 % основного состава. Половина этих сил сражалась на запад от Вислы.

Первая информация о нападении Красной Армии на Польшу была получена руководством страны и главнокомандующим около 6 часов утра 17 сентября 1939 г. Донесения носили путаный характер. Вначале рассматривалась альтернатива: вступать в бой или дать символический залп, чтобы продемонстрировать готовность отразить советское нападение. Как вспоминал министр Ю. Бек, «маршал колебался, какие ему отдать приказы войскам в отношении борьбы с советскими частями», но, обдумав положение, «скорее склонен был не принимать боевых действий». Война на два фронта грозила полным уничтожением Польской армии.

В этот же день после 14 часов главнокомандующий маршал Э. Рыдз-Смиглы направил всем войскам приказ, чтобы они не оказывали сопротивления Красной Армии, кроме возможных случаев атак или попыток их разоружения.

Директива главнокомандующего Польской армии из-за плохой связи не дошла до ряда частей. Но даже там, куда она поступила, порой вызывала сомнения и трактовалась как советская провокация. Сомнения усиливали и противоречивые пропагандистские заявления политорганов Красной Армии и оперативников НКВД, когда некоторые советские командиры представлялись как союзники поляков в совместной борьбе с немцами, другие обращались к «польским солдатам», предлагая им повернуть оружие против собственных командиров и присоединиться к братьям по классу. Ясность внесло переданное 18 сентября по радио из Берлина советско-германское коммюнике, в котором говорилось: «Чтобы избежать каких-либо беспочвенных спекуляций относительно задач немецких и советских войск, действующих в Польше, правительство Рейха, а также правительство Советского Союза заявляют, что эти действия не имеют целей, которые противоречили бы интересам Германии или Советского Союза или же входили в противоречие с духом заключенного между Германией и Советским Союзом пакта о ненападении».

В тот же день германская армия и Красная Армия впервые вошли в соприкосновение в районе Бреста.

Серьёзные бои польских войск с Красной Армией происходили лишь в северном районе фронта. Прорыв оттуда в Венгрию и Румынию был невозможен; речь могла идти только о прорыве в Литву и Латвию, что и было сделано рядом польских частей. Упорные оборонительные бои вела в Полесье и Волыни, а затем в районе Люблина группа из частей КОП во главе с командиром корпуса генералом В. Орликом-Рюкеманном.

Оборона Гродно, в которой приняла участие школьная молодежь, длилась два дня. Захватившие город расстреляли на месте около 300 его защитников, а также плененного командира корпуса № 3 Й. Ольшину-Вильчинского и его адъютанта. Расстрелу без суда подверглись также в Полесье 150 офицеров. Расстрелы имели место в Августовце, Боярах, Малых и Больших Бжостовицах, Хородове, Добровицах, Гайях, Грабове, Комарове, Полеском Косове, Львове, Молодечно, Ошмянах, Роханыне, Свислочи, Волковыске и Злочове.

Через два часа после перехода Красной Армией советско-польской границы немецкие войска получили приказ «остановиться на линии Сколе — Львов — Владимир-Волынский — Белосток».