20 сентября части 12-й армии подошли к линии Николаев — Стрый. В районе Стрыя советское командование установило контакт с немецкими войсками, и 22 сентября немцы передали Стрый Красной Армии, а на следующий день туда вошла 26-я танковая бригада. В результате переговоров советские войска были остановлены на достигнутой линии.

21 сентября в 10 ч. 30 мин. в штабы Белорусского и Украинского фронтов поступило приказание наркома обороны, по которому все войска должны были оставаться на линии, достигнутой передовыми частями к 20 часам 20 сентября. Перед войсками ставилась задача подтянуть отставшие части и тылы, наладить устойчивую связь, находиться в полной боевой готовности и принять меры для охраны тылов и штабов. Командованию Белорусского фронта разрешалось продолжить наступление в Сувалкском выступе.

А тем временем руководство СССР и Германии вело напряженные переговоры, на которых решалось, где должна проходить демаркационная линия между советскими и германскими войсками.

20 сентября в 16 ч. 20 мин. начались переговоры между К. Е. Ворошиловым и Б. М. Шапошниковым с одной стороны и генералом Кестрингом, полковником Г. Ашенбреннером и подполковником Г. Кребсом — с другой. Стороны договаривались о порядке отвода германских войск и продвижении советских войск на демаркационную линию. Следующий раунд переговоров состоялся с 2 до 4 часов ночи 21 сентября, стороны уточнили сроки выхода на демаркационную линию и подписали советско-германский протокол, в котором говорилось:

«Части Красной Армии остаются на линии, достигнутой ими к 20 часам 20 сентября 1939 г., и продолжают вновь свое движение на запад с рассветом 23 сентября 1939 г.

Части Германской армии начиная с 22 сентября отводятся с таким расчетом, чтобы, делая каждый день переход примерно в 20 километров, закончить свой отход на западный берег г. Вислы у Варшавы к вечеру 3 октября и у Демблина к вечеру 2 октября; на западный берег р. Писса к вечеру 27 сентября, р. Нарев, у Остроленки, к вечеру 29 сентября и у Пултуска к вечеру 1 октября; на западный берег р. Сан, у Перемышля, к вечеру 26 сентября и на западный берег р. Сан, у Санок и южнее, к вечеру 28 сентября.

Движение войск обеих армий должно быть организовано с таким расчетом, чтобы имелась дистанция между передовыми частями колонн Красной Армии и хвостом колонн Германской армии, в среднем до 25 километров.

Обе стороны организуют свое движение с таким расчетом, что части Красной Армии выходят к вечеру 28 сентября на восточный берег р. Писса; к вечеру 30 сентября на восточный берег р. Нарев у Остроленки и к вечеру 2 октября у Пултуска; на восточный берег р. Висла у Варшавы к вечеру 4 октября и у Демблина к вечеру 3 октября; на восточный берег р. Сан у Перемышля к вечеру 27 сентября и на восточный берег р. Сан у Санок и южнее к вечеру 29 сентября».

21 сентября в 22 ч. 15 мин. в штабы Белорусского и Украинского фронтов поступил приказ наркома обороны № 156, в котором излагалось содержание советско-германского протокола и разрешалось начать движение на запад с рассветом 23 сентября.

На следующий день Военный совет Белорусского фронта отдал соответствующий приказ № 05. 25 сентября войска получили директиву наркома обороны № 011 и приказ Военного совета Белорусского фронта № 06, предупреждавшие, что «при движении армии с достигнутого рубежа Августов — Белосток — Брест-Литовск на запад на территории, оставляемой Германской армией, возможно, что поляки будут рассыпавшиеся части собирать в отряды и банды, которые совместно с польскими войсками, действующими под Варшавой, могут оказать нам упорное сопротивление и местами наносить контрудары».

В ночь на 24 сентября отряд 27-й танковой бригады в составе 20 танков БТ-7 занял город Сувалки. В тот же день советские части заняли город Сейн.

Части 3-й армии продолжали охранять латвийскую и литовскую границы от Дриссы до Друскенинкая. 11-я армия начала передислокацию вдоль литовской границы к Гродно. 16-й стрелковый корпус продолжал продвигаться в сторону Гродно и 21 сентября занял Эйшишки.

26–28 сентября части 3-й и 11-й армий закрепились на границе с Литвой и Восточной Пруссией от Друскенинкая до Щучина.

21 сентября в Волковыске прошли переговоры между представителями германского командования и командованием 6-го кавалерийского корпуса, на которых была согласована процедура отвода немецких войск из Белостока. В это время части 6-го корпуса находились на линии Большая Берестовица — Свислочь. 22 сентября в 13 часов в Белосток прибыл передовой отряд в 250 человек под командованием полковника И. А. Плиева, а к 16 часам процедура приема Белостока у немцев завершилась, и немцы оставили город.

Прибытие в Белосток отряда Плиева вызвало в городе большое оживление, возник стихийный митинг. Позже Плиев писал: «Интересно отметить, что эти бурные сцены происходили на виду у отступающих германских войск. Их уже не боялись, их теперь никто не замечал. Молча шагали они по чужим улицам враждебного города, молча, но видя, на чьей стороне ум и сердце народа».

В тот же день в Белосток вошла 6-я кавалерийская дивизия, а 11-я кавалерийская дивизия достигла района Крынки-Бялостоцкие — Городок.

25 сентября в 15 часов 20-я мотобригада, переданная в состав 10-й армии, приняла у немцев Осовец. 26 сентября бригада вошла в Соколы, а к вечеру 29 сентября была у Замбруве.

Во втором эшелоне за войсками 6-го кавалерийского корпуса двигался 5-й стрелковый корпус, 20 сентября переданный в состав 10-й армии. Утром 24 сентября 5-й корпус двинулись на линию Свислочь — Порозова, а его передовые отряды в 13 часов 25 сентября заняли Бельск-Подляски и Браньск. 27 сентября передовые отряды корпуса были в Нуре и Чижеве. В районе Гайнувки части 5-го корпуса обнаружили польские военные склады, где находилось около 14 тысяч снарядов, 5 млн патронов, одна танкетка, две бронемашины, две автомашины и две бочки горючего, все это стало трофеями Красной Армии.

На южном участке фронта двинулись на запад части 4-й армии. 22 сентября в 15 часов 29-я танковая бригада вошла в Брест, занятый немецким 19-м моторизованным корпусом. Комбриг С. М. Кривошеин вспоминал, что на переговорах с Гудерианом он предложил следующую процедуру парада: «В 16 часов части вашего корпуса в походной колонне, со штандартами впереди, покидают город, мои части, также в походной колонне, вступают в город, останавливаются на улицах, где проходят немецкие полки, и своими знаменами салютуют проходящим частям. Оркестры исполняют военные марши». Гудериан, настаивавший на проведении полноценного парада с предварительным построением, согласился все-таки на предложенный вариант, «оговорив, однако, что он вместе со мной будет стоять на трибуне и приветствовать проходящие части».

К 29 сентября войска Белорусского фронта продвинулись до линии Щучин — Стависки — Ломжа — Замбрув — Цехановец — Косув-Ляцки — Соколув-Подляски — Седльце — Луков — Вохынь.

Советская пресса назвала двухнедельную акцию Красной Армии «освободительным походом». Сейчас либеральные историки как у нас, так и в Польше говорят о «советско-польской войне».