Войска Украинского фронта тоже 17 сентября перешли польскую границу и стали продвигаться в глубь Польши. На северном фланге на фронте от Олевска до Ямполя развернулись войска 5-й армии, которой была поставлена задача «нанести мощный и молниеносный удар по польским войскам, решительно и быстро наступать в направлении Ровно». В районе Олевска сосредоточилась 60-я стрелковая дивизия, имевшая задачу наступать на Сарны. В районе Городница —Корец развернулись войска 15-го стрелкового корпуса, имевшие ближайшую задачу выйти на р. Горынь, а к исходу 17 сентября занять Ровно. 8-й стрелковый корпус, развернутый в районе Острог —Славута, должен был к исходу дня занять Дубно. 18 сентября оба корпуса должны были занять Луцк и двинуться в сторону Владимира-Волынского.
В 5.00 войска 5-й армии перешли границу, сломив незначительное сопротивление польских пограничных частей. Лишь в районе Устья гарнизон польской стражницы № 11 попытался оказать сопротивление 16-му стрелковому полку 87-й стрелковой дивизии. В бою противник потерял 1 человека убитым, 1 ранеными, а 6 сдались в плен. Севернее части 60-й стрелковой дивизии в 6.00 перешли границу. В ходе боя с польской погранстражей советские войска потеряли 1 человека убитым и 1 раненым. Противник потерял 3 пограничников убитыми, 2 ранеными, а 83 были взяты в плен. В течение дня выяснилось, что «противник, не оказав сопротивления на госгранице, отходит в западном направлении, не пытаясь организовать и оказать сопротивления». В такой обстановке основная масса войск 5-й армии походным порядком продвигалась на запад, практически не имея стычек с противником. К утру 19 сентября 60-я стрелковая дивизия достигла Сарненского УРа, завязав бои за овладение им. Советским частям пришлось вести борьбу с дотами противника на правом берегу р. Случь. В ходе двухдневных боев советские войска прорвали УР на фронте Тынне — Князь-Село и 21 сентября вступили в Сарны, откуда польские части отступили в Полесье. До 25 сентября 60-я дивизия очищала Сарненский УР от вооружения и боеприпасов.
Около 18.00 17 сентября передовой отряд 45-й стрелковой дивизии занял Ровно, где были разоружены мелкие польские части. Наступавшая севернее 87-я стрелковая дивизия 15-го стрелкового корпуса 19 сентября в районе Костополя вступила в бой с противником силой до двух пехотных полков с артиллерией. В ходе боя польский отряд был разбит и до 1,5 тыс. солдат попали в плен, 25 орудий стали советскими трофеями. Соединения корпуса продолжали марш на запад, продвигаясь вслед за отходившими группами польских пограничников, жандармов и осадников. В 4.00 21 сентября разведбатальон 45-й стрелковой дивизии вступил в Ковель. Находящиеся в городе части польских войск организованного сопротивления не оказали и отступили на запад. Разоружить их «не удалось из-за отсутствия достаточных сил. Сопротивление оказала полиция, последняя стреляла с чердаков. Солдаты польской армии воевать с Красной армией не желают». 21—22 сентября 87-я стрелковая дивизия на рубеже Навуз —Боровичи натолкнулась на укрепившегося противника и вела бой с группами 3-го польского пехотного полка. «21 сентября разведбатальон и танковая рота при входе в деревню Навуз были обстреляны ружейно-пулеметным огнем и огнем противотанковых орудий. Разведбатальон и танковая рота отступили с некоторыми потерями. В бой были брошены подразделения 16-го стрелкового полка, 43-го разведбатальона, 212-го гаубичного артполка и 71-го противотанкового дивизиона. В бою 21—22 сентября на Безымянной высоте в Навуз противник был уничтожен. Остатки преследовались до Боровичей. В результате боя поляки имели 260 человек убитых и раненых и 120 пленных», было подбито одно 45-мм орудие и три станковых пулемета. Потери советских войск составили 99 человек убитыми, 137 ранеными. В 14 часов поляки стали отходить в сторону Колки и на север в Полесье, а около 15 часов отходящие части подверглись бомбовому удару 9 самолетов СБ.