Подойдя около 19.30 18 сентября к Вильно, 8-й и 7-й танковые полки 3-го кавкорпуса завязали бой за южную часть города. 8-й танковый полк в 20.30 ворвался в южную часть города. 7-й танковый полк, натолкнувшийся на упорную оборону, только с рассветом смог войти в юго-западную часть города. Тем временем 6-я танковая бригада, форсировав р. Березина, прошла Гольшаны и в 20 часов 18 сентября достигла южной окраины Вильно, установив связь с подразделениями 8-го танкового полка. Используя орудия, расположенные на горе Трех Крестов, польская молодежь артиллерийским огнем обстреляла наступающие танки. Для поражения танков в городе широко использовались бутылки со смесью бензина и нефти. Один советский танк был сожжен на Завальней улице. В танке погибли механик-водитель Шенкунос и башенный стрелок Кульков, а командир эскадрона старший лейтенант Бодыль был ранен, но сумел отползти от танка и, сняв фуражку, с наганом в руке стал пробираться к своим. Позднее его, потерявшего сознание, случайно подобрали танкисты экипажа младшего командира Куликова. Выяснив, что значительная часть регулярных войск и штабов уже покинула город, подполковник Т. Подвысоцкий был вынужден около 22.30 принять решения об оставлении Вильно и отходе к литовской границе. Ночью польские войска стали отходить за р. Вилия.

В 5 часов передовой отряд группы полковника К.И. Ломако достиг Зеленого моста, где завязалась перестрелка. В 5.45 туда же подошли танки 8-го танкового полка. В течение двух часов возле Зеленого моста шел бой, завершившийся его захватом в 8.50. В ходе боя было уничтожено 3 противотанковых орудия и 5 станковых пулеметов. Стремясь сжечь Зеленый мост, поляки поставили на нем и подожгли машину с бочкой бензина, но танк под командованием Дьячека сбил машину с моста, пожар был потушен, и войска переправились в северную часть города. Тем временем полковник Ломако решил основными силами 10-го танкового полка обойти город с севера и отрезать его от литовской границы. К 8 часам 19 сентября подошли части 3-го кавкорпуса. 102-й кавполк повел наступление на юго-восточную окраину, а 42-й кавполк двинулся в обход города с востока и сосредоточился на северо-восточной окраине. Тем временем 7-я кавдивизия обходила город с запада. В 10 часов была захвачена товарная станция, где находилось 3 эшелона с боеприпасами и военным снаряжением. В 11.30 в город вступила мотогруппа 3-й армии, сформированная из частей 24-й кавдивизии, и полковник Ломако был назначен комендантом города. В 12.45 было захвачено жандармское управление, к которому подъехал танк под командованием Щечка. Направив пушку и пулемет в окно, командир танка вместе с рабочими направился в здание. Часть полицейских, увидев танк, разбежалась, а остальные сдались и даже помогали выносить из здания оружие.

В 13 часов был занят вокзал. В 16 часов вновь возникла перестрелка у Зеленого моста, в ходе которой были подбиты одна бронемашина и танк. К 18 часам сопротивление противника было сломлено и к вечеру 19 сентября обстановка в городе нормализовалась, но отдельные перестрелки возникали вплоть до 2 часов ночи 20 сентября. В боях за Вильно части 11-й армии потеряли 13 человек убитыми и 24 человека ранеными, было подбито 5 танков и 4 бронемашины. 20–23 сентября советские войска подтягивались к Вильно, занимаясь очисткой города и прилегающих районов от польских частей. Стоит отметить, что около 100 солдат польской армии с оружием примкнули к передовому отряду 24-й кавдивизии РККА и помогали разыскивать скрывшихся офицеров и разоружать еще не сдавшиеся польские части. Всего было взято в плен около 10 тыс. человек, трофеями советских войск стали 97 паровозов, 473 пассажирских и 960 товарных вагонов (из них 83 с продовольствием, 172 с овсом, 6 с боеприпасами, 9 цистерн с бензином и 2 со спиртом). В 15.40 19 сентября 20 самолетов 43-го легкобомбардировочного полка ВВС 3-й армии совершили налет на железнодорожный перегон Игналино – Дукшты, где воздушная разведка обнаружила эшелон. Имея задачу воспрепятствовать подвозу войск в Вильно и к Литве, самолеты сбросили 160 бомб, которые разрушили в 6 местах перегон и повредили железнодорожное полотно на станциях Рымшаны и Дукшты[108].

Тем временем в 3.10 19 сентября начальник Генштаба РККА своим распоряжением № 03 передал командующему Белорусского фронта приказ наркома обороны о развертывании войск на бывшей польско-латвийской границе. «Задачей этим войскам ставятся обеспечение правого фланга группы т. Кузнецова и прикрытие со стороны Латвийской границы. Для чего вдоль границы с Латвией должны быть выставлены заставы, имея главные силы стрелковых полков в резерве сзади. Если от 5 сд был выделен полк к Латвийской границе, то он до смены остается на Латвийской границе, а затем переходит на Литовскую границу», причем «ни Латвийская, ни Литовская границы отнюдь не должны быть нарушены. Поэтому взять с этими частями несколько пограничников для инструктажа поведения на границе»[109]. Соответственно, в 3.40 штаб Белорусского фронта направил в штаб 3-й армии приказ, требовавший организовать охрану латвийской и литовской границ. Со своей стороны командующий 3-й армией своим распоряжением № 0210 приказал 10-й стрелковой дивизии к 24.00 20 сентября выдвинуться на польско-латвийскую границу и уничтожить польские пограничные посты, но границу не нарушать[110]. 19 сентября советскому военному атташе в Литве было сообщено, что литовские войска получили приказ «встречать части Красной Армии в дружественном духе и помогать им в установлении литовской границы»[111]. В 20.15 20 сентября советский военный атташе в Литве доложил в Москву, что командующий литовской армией просил сообщить командованию Красной армии, «чтобы, в случае отступления поляков из-под Гродно на литовскую территорию, наши части не преследовали их. Командующий обещал разоружить их своими силами, даже если бы поляки вошли в Литву с боем»[112]. В тот же день командующий 3-й армии приказал командиру 4-го стрелкового корпуса не позднее 12.00 21 сентября выставить сторожевые заставы на литовской границе от оз. Дрисвяты до Новых Трок, а главные силы корпуса иметь в районе Свенцяны, Повевиорка, Лынтупы[113].

В 23.50 20 сентября начальник Генштаба РККА направил командующему войсками Белорусского фронта директиву № 16695, в которой указывалось, что «народный комиссар приказал занять передовыми частями 21.9 район Августов, Сувалки, Сейны, не нарушая литовской и германской границ»[114]. В 9 часов утра 21 сентября командующий 3-й армией издал боевой приказ № 6/оп:

«1. На основании приказа Военсовета Белфронта от 20.9.39 г. за № 04 3[-й] армия в составе 10, 5, 126 сд, упр[авления] 4 ск, 24 кд, 25 тбр и 108 гап РГК имеет задачей обеспечить правый фланг войск Белорусского фронта по границам с Литвой и Латвией, не нарушая границ этих государств.