Гржибовский отказался принять эту ноту и покинул Советский Союз. После этого советские войска вступили на территорию Польши.
А тем временем 29 сентября капитулировала Варшава, подвергшаяся бомбардировкам авиации и обстрелам артиллерии. 5 октября под Коцком немцы подавили последний очаг польского сопротивления. В результате боевых действий с немецкими войсками с 1 сентября по 5 октября 1939 года поляки потеряли убитыми и пропавшими без вести около 70 000 человек, а у немцев было примерно 16 000 погибших. Плюс около 250 000 поляков попало в плен.
28 сентября в Бресте прошел совместный парад немецких и советских войск. В тот же день был подписан советско-германский договор «О дружбе и границе».
В военной операции СССР на территории Польши принимали участие соединения Киевского и Белорусского военных округов, усиленные частями Калининского и Московского военных округов.
Несмотря на то, что СССР не объявлял войны Польше, он ее вел в тесном взаимодействии с Германией. При этом нападение и военные действия были тщательно спланированы, подготовлены и осуществлены с использованием большого количества войск и боевой техники обеих стран. Огромная военная мощь РККА обрушилась на почти безоружных людей, на части, потрепанные в боях с немцами и к тому же по приказу своего главнокомандующего не оказывавшие сопротивления. По всем критериям статьи 6 Устава Международного военного трибунала эти действия квалифицируются как преступление против мира.
Боевые потери Красной Армии, по официальным данным, составили 737 убитых и 1862 раненых. В некоторых источниках указывается общее число погибших 1475 человек и раненых 3858 человек.
Польские потери точно неизвестны. Историк Б.В. Соколов оценивает потери Польши в боях с советскими войсками 17–30 сентября 1939 года в 6000–7000 погибших и пропавших без вести, а также 250 000 пленных. Историк Н.С. Лебедева пишет об этом так: «Во время польской кампании погибли с польской стороны 3500 военных и гражданских лиц, около 20 000 были ранены или пропали без вести. Советская сторона официально объявила о 737 убитых и 1862 раненых, однако, по некоторым данным, эти цифры занижены».
Польские военнопленные под конвоем Красной армии. 1939
По оценкам, к концу сентября 1939 года в советский плен попало 240–250 тыс. польских солдат и офицеров, а также представителей других силовых структур: пограничников, полицейских, тюремных охранников и т. д.
Офицеры в количестве около 8600 человек были сосредоточены в двух лагерях, в том числе в Козельске Смоленской области (сейчас это Калужская область). Не имея возможности содержать такое количество военнопленных, советские власти после разоружения освободили рядовых и унтер-офицеров – уроженцев Западной Украины и Западной Белоруссии, а остальных поместили в специально созданные десять лагерей для военнопленных, находившихся в ведении НКВД СССР.