Якщо на лінії річки Стрий перебували польські війська, то оборону Дністра треба було ще організувати. Це завдання було доручено генералові М. Мілану-Камському. До складу його групи мали увійти запасні частини, що в той час розташовувалися в районі Тернополя й Золочева. Генерал наказав цим формуванням перейти за Дністер, де збирався створити на їхній базі бойові відділи.
Головне командування перекидало на «румунський плацдарм» сили, які ще не були задіяні в бойових операціях. Маршал Е. Ридз-Сміґлий видав наказ про евакуацію до південно-східних районів усіх військових формувань із Гродненського округу. 17 вересня значна частина залізничних ешелонів, якими перевозили ці війська, перебувала між станціями Сарни та Рівне. 13 вересня надійшов наказ про евакуацію гарнізонів польських укріплень на Поліссі. Через чотири дні завантажені залізничні ешелони були готові вирушити в путь. Окрім того, на «румунський плацдарм» була переведена й уся польська військова авіація.
Перші кроки з організації оборони на волинських землях було зроблено 9 вересня, коли на Західному Бузі почалося створення заслонів, що передусім мали зупинити самочинну евакуацію цивільного населення до східних регіонів тогочасної Польщі. Лінія заслонів складалася з двох ділянок: «Володимир» від Сокалая до Дубенки (виключно) під проводом генерала К. Савицькогота «Шацьк» від Дубенки (включно) до Бреста на чолі з генералом Т. Коссаківським, якого невдовзі замінив генерал М. Трояновський. Окрім організації поліційного кордону, генерали мали сформувати бойові підрозділи, необхідні для захисту переправ. З цією метою їм були підпорядковані запасні частини в цьому районі.
У Володимир-Волинському було створено 12 піхотних батальйонів та 5 артилерійських батарей. Увечері 14 вересня німецька 4-та легка дивізія зайняла Грубешів й із ходу, захопивши плацдарм на східному березі Бугу, здійснила безуспішну атаку на Устилуг. Наступного дня німці підтягнули свіжі сили й розпочали новий наступ, який також було відбито. Після цього німці повернули до Замостя, залишивши під Устилугом невеликий підрозділ. Водночас поблизу Шацька три нашвидкуруч сформовані польські батальйони успішно відкинули розвідку німецької 3-ї танкової дивізії, котра з району Бреста намагалася вийти на залізницю Холм — Ковель.
17 вересня лінія найбільшого просування німецьких військ у південно-східних та центральних районах тогочасної Польщі виглядала приблизно таким чином: підступи до Борислава й Дрогобича — Щирець — Рудки — Львів (в облозі) — Жовква — Рава-Руська — Грубешів і далі вздовж західного берега Бугу до району Бреста. На цьому фронті діяли три німецькі дивізії: 57-ма піхотна — у районі Бориславських нафтових родовищ; 1-ша гірська — довкола Львова й 2-га танкова — у районі Рави-Руської. Найближчим часом до них мали приєднатися 7-ма й 44-та піхотні, 5-та танкова та 2-га гірська дивізії. Німці помітно послабили свій тиск, що польське командування розцінювало як ознаку загального вичерпання наступального потенціалу противника на першому етапі війни. За таких обставин маршал Е. Ридз-Сміґлий вважав організацію оборони на «румунському плацдармі» досить реальною. Водночас він очікував, що французи от-от почнуть активні дії на суходолі, що змусить німців забрати війська з Польщі й перекинути на Захід.
Однак замість союзників уранці 17 вересня в наступ перейшли радянські війська, які почали швидко просуватися на польську територію. Ця обставина докорінним чином змінила становище польських військ. Маршал Е. Ридз-Сміґлий не бачив можливості вести війну на два фронти. У зв’язку з цим він наказав усім військам відступати до південних кордонів Польщі. До Угорщини перейшло понад 40 000 польських вояків, до Румунії — приблизно 30 000, зокрема президент, уряд і сам верховний головнокомандувач разом зі своїм штабом. До Румунії було вивезено золотий запас країни та устаткування деяких оборонних підприємств, а також евакуйовано всю вцілілу військову авіацію.
Після отримання інформації про наступ Червоної армії командири демобілізували групи «Шацьк» і «Володимир». Вояки, котрі походили із західноукраїнських і західнобілоруських земель, розійшлися по домівках, а інші перейшли на західний берег Бугу з наміром прорватися до оточеної Варшави.
Після 17 вересня війська генерала К. Соснковського продовжували свій марш на допомогу Львову, але після кількаденних важких боїв за села Рясне та Голоско вони не змогли прорватися до міста, до якого їм залишалося тільки півтора кілометри. Унаслідок зазнаних втрат знекровлені польські дивізії перестали існувати, розділившись на окремі групи, більшість із яких потрапила до радянського полону. Лише небагатьом вдалося уникнути неволі.
Оборона Львова тривала, адже головнокомандувач наказав не припиняти боротьбу з ворогом, сподіваючись, що військам із центральної Польщі вдасться прорватися до міста, а потім і за кордон. Але протягом наступних днів Львів був повністю блокований німецькими військами, які розпочали підготовку до рішучого штурму. 22 вересня генерал В. Лянгнер передав місто під контроль радянських військ. Таким чином, Львів не зіграв відведеної йому ролі перевалочного пункту на шляху до «румунського плацдарму» й став лише самотнім редутом польської оборони у вересні 1939 року.
Скориставшись загальним розвалом польського фронту, німці пішли далі на схід: захопили Жовкву, Великі Мости й досягли Західного Бугу від Камянки-Струмилівської до Сокаля, а також вийшли на лінію річки Стрий, зайнявши Бориславський нафтовий басейн. Таким чином, 18 вересня рубіж наймасштабнішого просування німців на західноукраїнських землях виглядав так: річка Стрий — Жидачів — Миколаїв — річка Зубра — Львів (в облозі) — Куликів — Камянка-Струмилівська — Грубешів. Там німецькі війська зупинилися, а через кілька днів туди вийшла й Червона армія.
У той час, коли польські війська намагалися стримати наступ німців, Радянський Союз готувався до нападу на Річ Посполиту. З вересня 1939 р. нарком оборони СРСР маршал К. Ворошилов наказав військовим радам семи округів (Київського особливого (КОВО), Білоруського особливого, Харківського, Орловського, Калінінського, Ленінградського та Московського) ужити низку заходів для підвищення бойової готовності військ, а саме: затримати на місяць звільнення в запас червоноармійців останнього року служби; відкликати з відпусток командирів, політпрацівників, начальників військових частин та установ; привести військові частини до стану бойової готовності, для чого перевірити озброєння, обладнання, техніку тощо. 6 вересня своєю директивою К. Ворошилов наказав усім військовим частинам і установам розпочати наступного дня часткову таємну мобілізацію резервістів. З отриманням наказу військові частини КОВО, не чекаючи на поповнення, почали висуватися до державного кордону в складі, передбаченому штатним розписом мирного часу. Мобілізованих резервістів планували перекинути з пунктів постійної дислокації військ до районів зосередження залізницею або автотранспортом. 11 вересня нарком оборони видав розпорядження Військовій раді КОВО про перейменування польового командування округу на командування Українського фронту, який очолив командарм 1-го рангу С. Тимошенко (членом Військової ради фронту був перший секретар ЦК КП(б)У М. Хрущов, а начальником штабу — комбриг М. Ватутін).
Радянський план передбачав масований наступ військ одночасно в кількох головних напрямках: на Рівне — Луцьк — Володимир-Волинський, на Тернопіль — Львів, на Бориславські нафтові родовища. На 8-й день операції війська мали вийти на «лінію Керзона». Їхнє подальше просування з виходом до Вісли залежало б від загального розвитку військово-політичної ситуації в Польщі.
У першому оперативному ешелоні Українського фронту перебувало 9 стрілецьких та 7 кавалерійських дивізій, 8 танкових та 1 мотострілецька бригада, які були зведені в три армії. Їхня загальна кількість становила майже 300 000 вояків, 1200 гармат і мінометів, 2700 танків. Загалом же у військах фронту було 800 000 вояків, 3200 танків, 1100 бойових літаків, 4700 гармат. Окрім того, з армійськими частинами взаємодіяли 10 000 прикордонників НКВС.
У зв’язку з нападом на Польщу німецьких військ польське верховне командування зосередило основні сили в західних регіонах країни. Східні регіони належали до тилової зони, де розташовувалися підрозділи Корпусу охорони прикордоння, кілька батальйонів територіальної оборони, Пінська військова флотилія та запасні частини, що готували маршові поповнення для фронту. Загальна чисельність польських військ на західноукраїнських землях напередодні радянського наступу становила приблизно 370 000 вояків, 100—150 гармат, 70 танків і панцерних автомобілів, 160 бойових літаків. Однак переважну більшість польських вояків становили щойно призвані резервісти, яким бракувало зброї, боєприпасів та обмундирування. Бойову цінність мали тільки прикордонні підрозділи (12 000 вояків) та Пінська військова флотилія (понад 2000 вояків, 40 бойових і 50 допоміжних кораблів).