В это время в городе уже шли бои.

«Пропаганда Рыдз-Смиглы в Войске Польском «трубила» о том, что советские танки Т-26 фанерные, — рассказывал бывший красноармеец Самарской дивизии И.С. Гриб. — Вот почему под Вильно польские уланы налетели на танк Т-26 с саблями и стали его рубить, однако после этого у них в руках остались только ручки от клинков — танк оказался бронированным». Впрочем, история эта больше похожа солдатскую байку. Основную роль в обороне играли не уланы и вообще не армия, а отдельные импровизированные группы офицеров вроде «Офицерской лиги» под командованием майора Оссовского и виленская польская молодежь. Так, преподаватель физической и начальной военной подготовки гимназии имени Мицкевича Обиньский организовал из учащихся добровольческие команды, занявшие позиции на возвышенностях. Мальчишки постарше стреляли в советских солдат, младшие «кибальчиши» подносили боеприпасы и медикаменты, вели наблюдение, передавали донесения. Один из очевидцев прямо писал: «Не капитулировала только польская молодежь». Со своим подразделением покидал Вильно офицер саперного батальона 6-го пехотного полка Завадский: «В центре гремели взрывы. Местами клубился тяжелый, черный, плотный дым. Советские танки входили в город. Наши малочисленные подразделения и молодежь оказывали такое безнадежное и трагическое сопротивление! Сражение шло в районе железнодорожного виадука на шоссе на Нововилейку и на Зеленом мосту. Мы, армия, более или менее организованная сила, оставили город без боя».

К 20.30 8-й танковый полк ворвался в южную часть города. 7-й полк, натолкнувшись на упорную оборону, безуспешно пытался пробиться в юго-западную часть Вильно. Тем временем, форсировав Березину, южной окраины достигла 6-я танковая бригада, установившая связь с подразделениями 8-го танкового полка. Польская молодежь, используя орудия, расположенные на горе Трех Крестов, встретила наступавшие танки артиллерийским огнем. Для поражения боевых машин на улицах города широко использовались бутылки со смесью бензина и нефти.

Около 22.30, выяснив, что значительная часть регулярных войск и штабов уже покинула город, подполковник Подвысоцкий вынужден был принять решение об оставлении Вильно и отходе к литовской границе. Ночью поляки стали отходить за реку Вилия.

В 5 часов 19 сентября от Свенцян вышла к Зеленому мосту разведывательная группа старшего лейтенанта Акулова из группы Ломако. Вскоре туда же подоспели машины 8-го танкового полка. В течение двух часов кипел бой возле Зеленого моста, завершившийся его захватом.

В ходе боя было уничтожено 3 противотанковых орудия и 5 станковых пулеметов. Стремясь уничтожить мост, поляки поставили на нем машину с бочкой бензина и подожгли ее. Но советский танк столкнул машину в реку, пожар удалось предотвратить, и советские войска переправились в северную часть города. Полковник Ломако тем временем решил основными силами обойти город с севера и отрезать его от литовской границы. К 8 часам 19 сентября подошли части 3-го кавалерийского корпуса. 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. 7-я Самарская кавалерийская дивизия Ф.С. Комкова обходила город с запада. B I0 часов удалось взять товарную станцию, где находились три эшелона с боеприпасами и военным снаряжением. К полудню прибыла моторизованная группа Ахлюстина. В 13 часов были захвачены здание жандармского управления и железнодорожный вокзал. В 16 часов вновь возникла перестрелка у Зеленого моста, в ходе которой были подбиты одна бронемашина и танк. К 18 часам сопротивление было сломлено, хотя отдельные перестрелки продолжались и в ночь на 20 сентября. Комендантом «освобожденного» Красной Армией города стал полковник Ломако.

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. Всего было взято в плен около 10 тысяч человек, трофеями стали 97 паровозов, 473 пассажирских и 960 товарных вагонов.

Генерал Пшезьджецкий, узнав, что польский гарнизон оборонять Вильно не собирается, повернул свой отряд на Гродно.

19 сентября 3-я армия получила приказ организовать охрану латвийской и литовской границ. Однако до подхода стрелковых частей для этой цели могли быть использованы лишь разъезды и подвижные группы из состава 36-й и 24-й кавалерийских дивизий и танковых бригад. Вечером 21 сентября 144-й кавполк 36-й кавдивизии, вышедший к литовской границе в районе Мейшагола, рассеял мелкие группы поляков. При приближении советских разъездов литовские пограничники выбросили белый флаг и заявили: «Мы с вами воевать не хотим, мы держим нейтралитет». Лишь 23–25 сентября подошедшие стрелковые части смогли реально организовать охрану границ.

Пока шли бои в районе Вильно, войска 16-го стрелкового корпуса 11-й армии были повернуты на северо-запад и двинулись к Лиде. В 18 часов 18 сентября передовые части 100-й стрелковой дивизии заняли Крево. С утра следующего дня из танковых батальонов 100-й и 2-й стрелковых дивизий и бронероты разведбатальона 2-й дивизии была сформирована моторизованная группа под командованием комбрига Розанова. В районе фольварка Бердовка группа взяла в плен около 300 польских солдат, а поздно вечером вступила в Лиду. В 7 часов 20 сентября ей была поставлена задача наступать на Гродно. Тем временем главные силы корпуса продвигались на запад и к исходу 22 сентября достигли линии Радунь — Лида.

На фронте Фаниполь до Несвижа 17 сентября перешли в наступление части конно-механизированной группы Болдина (5-й стрелковый, 6-й кавалерийский, 15-й танковый корпуса — 65 595 человек, 1234 орудий и минометов, 864 танка). На левом фланге рвался на запад 15-й танковый корпус (461 танк БТ, 122 бронеавтомобиля). К вечеру его 27-я станковая бригада форсировала реку Сервечь, 2-я танковая бригада — реку Уша. Около 16 часов следующих суток 2-я бригада уже заняла Слоним. Отступивший польский гарнизон сжег один из двух мостов через реку Щара. Утром 19 сентября командир корпуса M.Л. Петров получил приказ совместно с моторизованными отрядами 13-й и 4-й стрелковых дивизий к исходу дня занять Гродно и Сокулку, однако скорость советского продвижения замедлилась из-за отставания тылов. Лишь около 16 часов передовой отряд 2-й танковой бригады вступил в уже занятый казаками Волковыск. 27-я танковая бригада вошла во Дворец. Туда же подтягивалась и 21 — я тяжелая танковая бригада (105 танков Т-28 и 29 танков БТ). Высосав из баков последние капли топлива, бронированная армада в 600 боевых машин замерла. В течение всего дня основные силы 15-го танкового корпуса простояли, растянувшись по дороге от Слонима до Волковыска, представляя идеальную цель для авиации, если бы она у противника имелась. С востока к Слониму подходила 20-я мотобригада, что еще больше загромождало дороги и задерживало подход тыловых колонн.

Неудачные действия 15-го танкового корпуса в Белоруссии привели к тому, что уже в ноябре 1939 года, по настоянию Б.М. Шапошникова и начальника Автобронетанкового управления Д.Г. Павлова, было признано необходимым расформировать эти громоздкие соединения (в Красной Армии было четыре танковых корпуса) и иметь в составе бронетанковых войск только отдельные бригады со штатной численностью 258 танков. В 1940 году, после сенсационных побед германских танковых групп во Франции, «ошибку» решили исправить и приступили к созданию двадцати девяти механизированных 1000-танковых неуправляемых монстров, печальная судьба которых только подтвердила правильность прогнозов Шапошникова.