ב-14 בספטמבר קיים שר החוץ של ברית המועצות, ויאצ'סלב מולוטוב, שיחה עם שגריר גרמניה במוסקבה. במהלך השיחה הובהר לגרמנים שהסובייטיים משלימים הכנות לפלישה אך מכיוון שהעילה לפלישה תהיה הגנת המיעוטים, הסובייטים לא יתחילו בפלישה לפני נפילת וורשה. באותו יום בעיתוןפראבדה פורסם מאמר נרחב של אנדריי ז'דאנוב על הסיבות לנפילת פולין במלחמה ועל הסבל של העם האוקראיני והבלארוסי שממתינים לעזרה מהצבא האדום.
ב-15 בספטמבר הגרמנים הודיעו למולוטוב שכיבוש וורשה יושלם בימים הקרובים. בליל 17 בספטמבר השגריר הגרמני במוסקבה הוזמן למשרד החוץ הסובייטי וקיבל הודעה שפלישה סובייטית מתוכננת להתחיל בבוקר. הסובייטים ביקשו מהגרמנים לעצור את ההתקדמות מזרחה ולהסיג את הכוחות מערבית לקו ביאליסטוק-ברסט ליטובסק-לבוב. הסובייטים ציינו שצפויות הפצצות אוויריות ואם והגרמנים לא יסיגו את הכוחות עלולות להיות הפצצות גם על הכוחות הגרמנים. הגרמנים קיבלו טיוטת הודעה סובייטית לפולין.
בבוקר 17 בספטמבר1939שגרירפולין לברית המועצות קיבל הודעה מממשלת ברית המועצות. בהודעה צוין שלאחר שבועיים של קרבות הממשל הפולני למעשה הפסיק להתקיים ובעקבות כך הממשל הסובייטי בדעה שההסכמים בין המדינות הפסיקו להתקיים. הממשל הסובייטי לא יכול להיות אדיש לסבל של האוקראינים והבלארוסים ולכן נתן פקודה לצבא האדום לעבור את הגבול ולפעול להגנת אוכלוסייה אזרחית.
לאחר הנסיגה מהחלקים המערביים והמרכזיים של פולין והחלק המזרחי רוכזו יחידות הצבא הפולני בהיקף של כ-340 אלף חיילים, 540 תותחים וכ-70 טנקים. חלק מהיחידות ספגו אבדות קשות במהלך הלחימה נגד הגרמנים והיו מיועדות לארגון מחדש. עקב הלחץ הגרמני והקרבות הקשים בחזית המערבית מערכות הקשר בין היחידות הפולניות ספגו מכה קשה. חלק מהיחידות נאלצו לפעול בצורה עצמאית ללא קבלת הנחיות ברורות מהפיקוד העליון.
יחידות הצבא האדום לא חיפשו עימות צבאי עם הפולנים. מפקדי היחידות הסובייטיות טענו בפני החיילים הפולנים שהם באו לעזור במאבק הפולני נגד הגרמנים.
בהתאם לפקודות שקיבלו הפולנים מהפיקוד העליון הם לא נכנסו לקרבות משמעותיים נגד הסובייטים המתקיפים. התקדמות הצבא האדום הייתה מהירה. בעקבות כך, כבר ב-18 בספטמבר היה מורגש בצבא האדום המתקדם חוסר בדלק ונתק עם היחידות העורפיות.
ב-18 בספטמבר כוחות הצבא האדום הגיעו לפרברי וילנה שאז הייתה בתחומי פולין. תחילה התפתח קרב מקומי אבל עד מהרה מפקד פולני באזור החליט על עזיבת העיר ופינוי הכוחות לשטחי ליטא.
ב-18 בספטמבר כוחות נאצים באזור ביאליסטוק נפגעו מהפצצה סובייטית. בעקבות האירוע הפיקוד הגרמני נתן פקודה לכוחותיו בהתקרבות מטוסים סובייטים להתחיל בירי ברקטות תאורה ופריסת סימני אזהרה.
ב-20 בספטמבר יחידות הצבא האדום הגיעו לפרברי לבוב. יחידות פולניות נתנו לסובייטים להיכנס לעיר ויחידות גרמניות שהיו סביב העיר נסוגו בהדרגה. באזור זה עקב טעות בזיהוי התפתחו קרבות בין הסובייטים לבין הגרמנים.
התקדמות הכוחות הסובייטים נמשכה עד לסוף ספטמבר. בתחילת אוקטובר, בעקבות סיכומים בין הממשלה הסובייטית ולבין גרמניה הנאצית בוצעה נסיגה מאורגנת של כוחות הצבא האדום מזרחה לקו הגבול שסוכם.
לאחר תחילת הפלישה הסובייטית במטה הגרמני החלה התארגנות לתאום קו הגבול העתידי. הצבא קיבל פקודה להתייצב בקו לבוב-ברסט ליטובסק-ביאליסטוק. עם זאת יחידות שכבר היו מעבר לקו זה קיבלו הרשאה להמשיך בביצוע מטלה שקיבלו. כיבוש לבוב היה מתוכנן ל-21 בספטמבר.
עם זאת היו מספר אי-הבנות בין הממשלות לגבי קו הגבול העתידי. במהלך 19 בספטמבר בפרברי לבוב היו התנגשויות בין הצבא האדום לבין הצבא הגרמני, כאשר כל צד טען שבידיו פקודה לכיבוש העיר.
ב-19 בספטמבר הגיעה משלחת גרמנית למוסקבה לתאום קו הגבול. בצד הסובייטי בשיחות השתתפו קלימנט וורושילוב ובוריס שפושניקוב. בערב 19 בספטמבר ויאצ'סלב מולוטוב הודיע לשגריר גרמני שבידיו מפה גרמנית לפיה לבוב נמצא בשליטה גרמנית וזאת בניגוד לסיכומים קודמים. לקראת בוקר 20 בספטמבר הגרמנים הכירו בסיכום והחלו בנסיגה באזור לבוב.
ב-20 בספטמבראדולף היטלר הוציא פקודה חד-משמעית על נסיגת הכוחות של צבא גרמניה מערבה מקו הגבול שסוכם.
ב-21 בספטמבר סוכם על קו הגבול במוסקבה, נסיגה של הכוחות הגרמנים והתקדמות של הצבא האדום בהתאם. סוכם על שמירת מרחק של 25 ק"מ בין הכוחות הנסוגים לבין הכוחות המתקדמים וזאת במטרה למנוע חיכוכים מיותרים.
ב-23 בספטמבר שר החוץ הגרמני יואכים פון ריבנטרופ הודיע שהוא מעוניין להגיע למוסקבה לקיום שיחות, במיוחד בנושא ליטא. ב-27 בספטמבר השיחות החלו. ריבנטרופ ביקש מהסובייטים להבין את הצד הגרמני ולהרחיב את השטחים שיועברו לשליטתם באזור נהר סן, ביאליסטוק וכו'. יוסיף סטלין התנגד לכל שינוי בגבול שסוכם באזור אוקראינה אך היה מוכן בתמורה להעביר לגרמניה סחורות שונות. באזור ליטא סוכם על העברת שטחים מסוימים לגרמניה. בהקשר לעיר פשמישל לא הושגה שום הסכמה והיא הייתה מחולקת בין הצדדים כפי שסוכם בתחילת השיחות (גבול היה לפי תווי נהר סן).
ב-29 בספטמבר נחתם הסכם גבולות וידידות בין הצדדים. בנוסף לכך נחתם הסכם על העברת גרמנים משטח סובייטי לגרמניה, העברת ליטא לאזור השפעה סובייטי ובתמורה הסובייטים הסכימו להזזת הגבול באזור ורשה ולובלין לטובת הגרמנים והעברת חלק משטחה של ליטא לגרמניה.
בעקבות סיכום על קו הגבול כוחות הצבא האדום הוזזו מזרחה בהתאם לנדרש.
תגובת צרפת ובריטניה
לאחר הפלישה הגרמנית לפולין ב-1 בספטמבר1939, צרפת ובריטניה הכריזו על מלחמה. אומנם מעשית לא היו פעולות צבאיות של ממש בחזית המערבית.
ממשלת בריטניה פעלה לטובת האינטרסים האסטרטגיים של המדינה כפי שהיא ראתה אותם בתקופה זו. הממשל רצה לשמור על הקשרים המסחריים עם ברית המועצות וראה בו בן ברית עתידי במערכה נגד גרמניה. לאחר פלישה סובייטית לפולין, האנגלים העבירו למוסקבה מסר לפיו הם לא יפעלו להחזרת השטחים לפולין. ממשלות המדינות המליצו לממשלת פולין בגולה לא להכריז מלחמה על ברית המועצות.
מנהל הכיבוש הסובייטי בשטחי מזרח פולין
קו הגבול בהתאם להסכם
בעקבות הפלישה עבר שטח של כ-196 אלף קמ"ר (כ-50.4% משטח פולין טרם המלחמה) עם אוכלוסייה של כ-13 מיליון תושבים לשליטה סובייטית. בעקבות הסכם שנחתם בין ברית המועצות לבין ליטא ב-10 באוקטובר1939 אזור וילנה עבר לליטא.
במהלך נובמבר 1939 נערכו בחירות בשטחים שעברו לשליטה סובייטית וכתוצאה מכך הם סופחו לבלארוס הסובייטית ואוקראינה הסובייטית בהתאם.
בידי הצבא האדום היו כ-240 אלף שבויים. כ-43 אלף שהתגוררו לפני המלחמה בשטח שעבר לשליטה גרמנית הועברו למקום מגוריהם. כמה עשרות חיילים שבויים שוחררו. לקראת 19 בנובמבר1939 במחנות נ.ק.וו.ד היו כ-39,600 שבויים מהם כ-10 אלף קצינים וכ-5 אלף שוטרים. רוב הקצינים והשוטרים הוצאו להורג באפריל-מאי 1940 בקטין, חרקוב וקלינין.
בעקבות שינויים בקו הגבול הותרה העברת אזרחים. במהלך זה כמה עשרות אלפי אזרחים (בעיקר יהודים) עברו מזרחה לשטח שבשליטה סובייטית וכמה עשרות פולנים עברו לשטח שבשליטה גרמנית.
בנוסף לשבויים לידי הצבא האדום הועבר ציוד צבאי רב שכלל רובים, תותחים, מטוסים וציוד נלווה.
בנאום של יוסיף סטלין באביב 1940 הוא ציין שמערכה בפולין לא הייתה מלחמה של ממש וכך צריך להתייחס לתוצאות הקרבות והתקדמות מהירה.
בעבודות מטה שביצעו קצינים סובייטים צוינו ליקויים רבים בעבודת העורף, קשר רופף בין היחידות הקרביות והעדר תאום בין הזרועות השונות. סמיון טימושנקו ציין שעל סמך המסמכים שהיו מגיעים למטה היה קשה להבין מה בדיוק מתרחש בשדה הקרב. חלק מהקצינים ציינו שיהיה קושי גדול להתמודד עם אויב שיש לו יתרון באוויר ויחידות שריון חזקות.
בהיסטוריוגרפיה הסובייטית בתקופת יוסיף סטלין המערכה תוארה כ"מסע שחרור של העם האוקראיני והבלארוסי על ידי יחידות הצבא האדום משליטה של בורגנים פולנים תוך תמיכה נלהבת של האוכלוסייה העובדת המקומית". בשנות ה-60 הדגש ניתן ל"הגנת תושבי המקום מפני פלישה גרמנית קרובה". כמו כן צוין שברית המועצות התנגדה לאורך כל שנות ה-20 לקו הגבול בינה לבין פולין.
בשנות ה-70 המערכה נקראה "מסע השחרור" כצעד הגנתי מפני הגרמנים.
לאחר התפרקות ברית המועצות הממשל הסובייטי הכיר בקיום פרקים סודיים בהסכם מולוטוב ריבנטרופ ותאום עם הגרמנים במהלך הפלישה. עם זאת, היסטוריונים הרוסים רואים במהלך זה ניצחון של סטלין על היטלר בתקופה שלפני תחילת הלחימה בין המדינות.
היסטוריונים מערביים תיארו את המהלך כ"פלישה", "פלישה משותפת" ו"ברית סובייטית-גרמנית".
