W dniu 17 września 1939 roku bez określonego w prawie międzynarodowym wypowiedzenia wojny, Armia Czerwona zaatakowała Polskę będąca od 1 września 1929 roku w stanie wojny z III Rzeszą. Na mocy tajnego protokołu do paktu Ribbentrop-Mołotow z dnia 23 sierpnia 1939 roku, ZSRR zobowiązał się do zbrojnego wystąpienia przeciw Polsce w sytuacji, gdyby III Rzesza znalazła się w stanie wojny z Polską.W dniu 3 września 1939 roku Kliment Woroszyłow nakazał podwyższenie gotowości bojowej w okręgach, które miały wziąć udział w ataku oraz rozpoczęcie tajnej mobilizacji. Stalin zdecydował się na uderzenie, gdy wywiad doniósł o podjętej 12 września na brytyjsko-francuskiej konferencji w Abbeville decyzji o zaniechaniu podjęcia działań ofensywnych. Sowiecka agresja rozpoczęła się bezzwłocznie po wejściu w życie w dniu 16 września, podpisanego dzień wcześniej w Moskwie, ostatecznego układu rozejmowego pomiędzy ZSRR a Japonią, kończącego nieformalną wojnę sowiecko-japońską na pograniczu Mandżukuo i Mongolii. Oficjalny pretekst agresji był zawarty w przekazanej o godzinie 3.00 w nocy, dnia 17 września przez zastępcę Ludowego Komisarza (ministra) Spraw Zagranicznych Potiomkina ambasadorowi Grzybowskiemu nocie dyplomatycznej. Zamieszczono tam niezgodne z prawdą oświadczenie o rozpadzie państwa polskiego, ucieczce rządu polskiego, konieczności ochrony mienia i życia zamieszkujących wschodnie tereny polskie Ukraińców i Białorusinów oraz uwalnianiu ludu polskiego od wojny. W konsekwencji ZSRR uznał wszystkie układy zawarte uprzednio z Polską (w tym traktat ryski z 1921 roku i pakt o nieagresji z 1932 roku) za nieobowiązujące – zawarte z nieistniejącym państwem. Dlatego też odmawiano np. wziętym do niewoli polskim żołnierzom statusu jeńców wojennych. Potiomkin przedstawił notę ambasadorowi RP w chwili rozpoczęcia działań wojennych przez Armię Czerwoną. Ambasador odmówił przyjęcia noty i zażądał wiz wyjazdowych dla dyplomatów polskich. Władze ZSRR próbowały wbrew prawu międzynarodowemu uniemożliwić opuszczenie kraju polskim dyplomatom i aresztować ich (stwierdzając utratę statusu dyplomatycznego). Polaków uratował dziekan korpusu dyplomatycznego w Moskwie, ambasador Rzeszy Schulenburg, osobiście wymuszając na rządzie ZSRR zgodę na wyjazd dyplomatów. Sowiecki ambasador w Polsce Nikołaj Szaronow wyjechał zaś z terenu RP (wraz z attaché wojskowym Pawłem Rybałko – późniejszym marszałkiem ZSRR) już 11 września pod pretekstem nawiązania łączności z Moskwą (Potiomkin odmówił ambasadorowi Grzybowskiemu prawa wyjazdu pierwotnie pod pretekstem konieczności powrotu do ZSRR dyplomatów sowieckich w Polsce, którzy od tygodnia znajdowali się już na terenie ZSRR). Konsul generalny RP w Kijowie Jerzy Matusiński wezwany 30 września przez władze sowieckie zaginął (po aresztowaniu został zamordowany przez NKWD). Rząd II Rzeczypospolitej opuścił granice Polski dopiero późnym wieczorem 17 września, po otrzymaniu wiadomości o wkroczeniu Armii Czerwonej rankiem tego dnia i potwierdzonej informacji o zbliżaniu się sowieckiej kawalerii oddziałów pancernych do miejsca przebywania władz RP. Prezydent Ignacy Mościcki w wydanym w Kosowie orędziu do narodu, określił jednoznacznie sowieckie działania wojskowe jako akt agresji. Napaść doprowadziła do masowych prześladowań narodowościowych na przyłączonych do ZSRR (w wyniku Paktu o granicach i przyjaźni pomiędzy III Rzeszą a ZSRR z 28 września 1939 roku i jego tajnego protokołu) terenach wschodnich II Rzeczypospolitej – aresztowań i osadzeń w obozach koncentracyjnych, egzekucji, morderstw i powszechnych deportacji. Brak publicznego formalnego ogłoszenia przez Prezydenta i rząd RP faktu istnienia stanu wojny pomiędzy ZSRR a Polską i brak jednoznacznego rozkazu Naczelnego Wodza stawiania oporu najeźdźcy doprowadziły do dezorientacji. Bohaterem sowieckim stał się w tych tragicznych dla Polski dniach, dowódca 29. Brygady Pancernej Armii Czerwonej Kombryg Siemion Kriwoszein. Jego oddziały w Brześciu nad Bugiem wzięły do niewoli 1030 polskich oficerów, 1220 podoficerów i 34 000 szeregowych żołnierzy. Nie trzeba było żadnej bitwy. Na dworzec kolejowy w Brześciu w bałaganie odwrotu ku bezpiecznym granicom przybyło kilkadziesiąt polskich transportów wojskowych z żołnierzami i ze sprzętem. Wysiadali z wagonów wprost w sowieckie ręce jeszcze 25 września. Niejednokrotnie brano żołnierzy do niewoli podstępem – oficerowie Armii Czerwonej przedstawiali się jako sojusznicy w wojnie z Niemcami, czołgi sowieckie były udekorowane czerwonymi i polskimi flagami (m.in. w Zaleszczykach), zawierano z Polakami fikcyjne porozumienia o zgodzie na ewakuację, a następnie otaczano, rozbrajano i transportowano do obozów jenieckich. Około 250 tysięcy żołnierzy i oficerów (w większości nie stawiających oporu) i pośrednio do zbrodni katyńskiej na kilkunastu tysiącach oficerów Wojska Polskiego. Ostrzeżenia napływające z polskich ataszatów wojskowych pod koniec sierpnia i na początku września 1939 roku o istnieniu tajnego porozumienia wojskowego pomiędzy III Rzeszą a ZSRR i przygotowaniach ZSRR do agresji na Polskę (tajna mobilizacja i koncentracja Armii Czerwonej nad granicą z Polską) oraz meldunek z 13 września o przecięciu zasieków po stronie sowieckiej na granicy z Polską, co oznaczało ostateczne przygotowania do inwazji, zostały zlekceważone przez Naczelnego Wodza.

Przygotowania do inwazji rozpoczęto pod koniec sierpnia 1939roku. Plan inwazji opracował szef Sztabu Generalnego Armii Czerwonej komandarm Borys Szaposznikow. Dnia 3 września Ludowy Komisarz Obrony Kliment Woroszyłow wydał dyrektywy oddziałom z Leningradzkiego, Kalininskiego, Białoruskiego, Kijowskiego, Moskiewskiego i Charkowskiego Okręgu Wojskowego nakazujące osiągnięcie gotowości bojowej, wstrzymujące zwolnienia do rezerwy i przerywające urlopy dowódców.Dnia 6 września rząd ZSRR zarządził mobilizację, a Woroszyłow nakazał rozpoczęcie wielkich ćwiczeń oddziałów ze zmobilizowanych 6 okręgów oraz Orłowskiego Okręgu Wojskowego, przewidziane Planem nr 22 „A”, będącego faktycznie planem działań przeciw Polsce. Do 11 września jednostki pierwszego rzutu uzupełniły stany etatowe i tego dnia Woroszyłow wydał rozkaz koncentracji wojsk na wyznaczonych rejonach przygranicznych Radom Wojennym Białoruskiego i Kijowskiego Specjalnego Okręgu Wojskowego (przekształcone w dowództwa Frontów), jednak część jednostek osiągnęła te pozycje już 8 września. Do 13 września wyznaczone oddziały Armii Czerwonej znalazły się na pozycjach wyjściowych. Pod koniec dnia 16 września do oddziałów zgromadzonych w strefie przygranicznej dotarł tajny rozkaz Woroszyłowa nr 16634 o treści: Uderzać o świcie siedemnastego!

Wojska pierwszego rzutu uformowane były w dwa fronty, w skład których wchodziło 6 armii:

• Front Białoruski (dowódca komandarm Michaił Kowalow)

• 3 Armia (dowódca komkor Wasilij Kuzniecow)

• 11 Armia (dowódca komkor Nikifor Miedwiediew)

• 4 Armia (dowódca komdiw Wasilij Czujkow)

• Front Ukraiński (dowódca komandarm Siemion Timoszenko)

• 5 Armia (dowódca komdiw Iwan Sowietnikow)

• 6 Armia (dowódca komkor Filip Golikow)

• 12 Armia (dowódca komandarm Iwan Tiuleniew)

Łącznie siły pierwszego rzutu obejmowały 9 korpusów i 1 dywizję piechoty, 4 (lub 5) korpusów i 1 dywizję kawalerii, 2 korpusy i 12 brygad czołgów. W sumie ok. 620 tys. żołnierzy, 4,7 tys. czołgów i 3,3 tys. samolotów. Jednostki te posiadały zatem m.in. prawie dwa razy więcej czołgów niż Wehrmacht w dniu 1 września 1939 i dwa razy tyle samolotów bojowych co Luftwaffe na froncie polskim. Główne kierunki natarcia Frontu Białoruskiego objęły Wilno, Baranowicze – Wołkowysk – Grodno – Suwałki, Brześć nad Bugiem. Wilno, Grodno i Brześć zostały osiągnięte w dniach 20-22 września, Suwałki 24 września. Główne kierunki natarcia Frontu Ukraińskiego objęły Dubno – Łuck –Włodzimierz Wołyński – Chełm – Zamość – Lublin, Tarnopol – Lwów, Czortków – Stanisławów – Stryj – Sambor i Kołomyję. Pod Lwów jednostki sowieckie podeszły 19 września, Lublin osiągnęły 28 września. Jednostki Frontu Ukraińskiego dłużej brały udział w działaniach i zajmowały kolejne wyznaczone im obszary do początku października 1939 roku. W awangardzie na kierunkach ataku Armii Czerwonej posuwały się na ogół jednostki pancerne. W pierwszej kolejności jednostki szybkie starały się dotrzeć do granic Rzeczypospolitej z Litwą, Węgrami i Rumunią, by uniemożliwić ewakuację jednostek Wojska Polskiego za granicę. Operacja została zaplanowana jako regularne działania wojenne z udziałem wojsk pancernych, lotnictwa (atakującego wojsko polskie z powietrza) i działań grup sabotażowo-dywersyjnych (Specnaz, OsNaz) przerzuconych lub zorganizowanych na terytorium Polski już na początku września 1939 roku. W dniach 18-19 września miała miejsce obrona Wilna przed nacierającymi wojskami sowieckimi. Z kolei w dniach 20-21 września trwały ciężkie walki o Grodno, gdzie na skutek zaciekłej obrony sowieckim czołgom nie udało się zdobyć miasta z marszu. Miasta broniły jedynie niewielkie oddziały garnizonu (większość w składzie 35 Dywizji Piechoty została kilka dni wcześniej przerzucona transportami kolejowymi dla obrony Lwowa przed Niemcami) i ochotnicy, w tym harcerze. Obrońcy butelkami z benzyną i ogniem działek przeciwpancernych zniszczyli kilkadziesiąt czołgów sowieckich. Agresor używał cywilów i jeńców jako żywych tarczy dla osłony natarcia czołgów. Wkraczającym jednostkom Armii Czerwonej opór zbrojny stawiły związki taktyczne Korpusu Ochrony Pogranicza, Brygada Rezerwowa Kawalerii Wołkowysk i Samodzielna Grupa Operacyjna Polesie. W serii bitew na całym froncie, wojska polskie podjęły próbę opóźnienia marszu jednostek sowieckich. Przez trzy dni (17-20 września) trwała obrona przez KOP Rejonu Umocnionego Sarny. W dniach 29-30 września jednostki KOP pod dowództwem generała Wilhelma Orlika-Rückemanna rozbiły 52 Dywizję Strzelecką Armii Czerwonej w bitwie pod Szackiem.Dnia 1 października zmuszone były się rozproszyć po bitwie pod Wytycznem. Przedzierająca się na zachód SGO „Polesie” generała Franciszka Kleeberga 29–30 września stoczyła zwycięskie walki z oddziałami sowieckimi pod Jabłonią i Milanowem. W konsekwencji agresji sowieckiej nastąpiło spotkanie wojsk Armii Czerwonej z Wehrmachtem na terenie zaatakowanej Polski, po czym z części zajętych uprzednio obszarów Rzeczypospolitej Wehrmacht wycofał się do ustalonej wcześniej linii demarkacyjnej (23 sierpnia 1939) i oddał zajęty obszar wojskom sowieckim (Białystok, Kobryń, Brześć, Borysław, Drohobycz). W spektakularny sposób miało to miejsce pod Lwowem 20 września, gdy Niemcy oblegający to miasto wycofali się, wcześniej proponując obrońcom kapitulację. Sam Lwów z silnym i dobrze uzbrojonym garnizonem został po krótkim oporze w dniu 22 września poddany Armii Czerwonej przez generała Langnerana honorowych warunkach, natychmiast przez władze sowieckie złamanych. Oficerom gwarantowano w układzie kapitulacyjnym swobodny przemarsz na Węgry i do Rumunii – zostali jednak na granicy linii oddziałów Armii Czerwonej aresztowani, wywiezieni do obozu w Starobielsku i zamordowani wiosną 1940 roku w Charkowie. Wśród ofiar katyńskich znajdowali się oficerowie wzięci do niewoli w całym pasie natarcia Armii Czerwonej. Okolice Lublina, Chełma, Tomaszowa Lubelskiego po pierwotnej okupacji sowieckiej zostały po pakcie moskiewskim z 28 września 1939 roku przekazane przez ZSRR Niemcom. Było to konsekwencją korekty linii podziału Polski, ustalonej pomiędzy III Rzeszą a ZSRR 28 września 1939 roku podczas wizyty Ribbentropa w Moskwie. Walkę z Sowietami kontynuowały oddziały partyzanckie, np. nad Biebrzą utrzymały się one do lata 1941 – do wybuchu wojny niemiecko-sowieckiej. Od momentu uderzenia na Polskę Armia Czerwona dokonywała wielu zbrodni wojennych, mordując jeńców i masakrując ludność cywilną. Ocenia się, że ich ofiarą padło około 2,5 tys. żołnierzy polskich i policjantów oraz kilkuset cywilów. Jednocześnie radzieccy dowódcy wojskowi wzywali ludność cywilną do mordów i przemocy, dowódca Frontu Ukraińskiego Armii Czerwonej w jednej z odezw napisał: „Bronią, kosami, widłami i siekierami bij swoich odwiecznych wrogów – polskich panów”. Największe zbrodnie popełniono w Rohatynie, gdzie dokonano rzezi na żołnierzach polskich i ludności cywilnej, Grodnie, Nowogródku, Sarnach, i Tarnopolu oraz w Wołkowysku, Oszmianie, Świsłoczy, Mołodecznie i Kosowie Poleskim. W rejonie Sarn sowieci rozstrzelali całą wziętą do niewoli kompanię z Batalionu KOP „Sarny”, razem 280 żołnierzy i oficerów. Według niektórych relacji w Grodnie doszło do wiązania polskich jeńców i ciągnięcia ich czołgami po bruku. Do dramatycznych wydarzeń doszło także w Chodorowie, Złoczowie i Stryju. W pobliżu Wilna żołnierze Armii Czerwonej rozstrzeliwali wziętych do niewoli żołnierzy Wojska Polskiego. Mszcząc się za opór stawiany w Grodnie poddających się żołnierzy WP masowo rozstrzeliwano. Nocą z 26 na 27 września Armia Czerwona wkroczyła do Niemirówka w Chełmskiem, gdzie przebywał oddział podchorążych. Zaskoczonych we śnie związano drutem i obrzucono granatami. Przedstawiciele Armii Czerwonej łamali także postanowienia umów dotyczących złożenia broni. 22 września 1939 dowódca obrony Lwowa generał Władysław Langner podpisał z dowództwem sowieckim kapitulację, przewidującą m.in. bezpieczny wymarsz żołnierzy Wojska Polskiego (w tym oficerów) i policji w kierunku granicy z Rumunią. Po uprzednim złożeniu broni – umowę tę strona sowiecka złamała po złożeniu broni aresztując wszystkich i wywożąc ich w głąb ZSRR. Oficerowie uczestniczący w obronie Lwowa byli przetrzymywani w obozie w Starobielsku, a następnie w przeważającej większości zostali zamordowani przez NKWD w Charkowie i pochowani w dołach śmierci w Piatichatkach. Lwowscy policjanci zostali wymordowani ogniem karabinów maszynowych na szosie prowadzącej na Winniki. Żołnierze Armii Czerwonej z premedytacją zamordowali też pod Sopoćkiniami dowódcę Okręgu Korpusu Nr III w Grodnie generała Józefa Olszynę-Wilczyńskiego oraz jego adiutanta. Świadkami egzekucji generała i jego adiutanta strzałem w tył głowy była jego żona i kilkanaście towarzyszących jej osób. Faktycznie, jako dowódca okręgu korpusu generał Olszyna-Wilczyński pełnił jedynie funkcje administracyjne i nie dowodził jakimikolwiek oddziałami wojskowymi w czasie wojny. W ślad za oddziałami Armii Czerwonej posuwały się wojska i oddziały specjalne NKWD, dokonujące natychmiast masowych aresztowań (lub egzekucji) elit lokalnych według przygotowanych uprzednio list proskrypcyjnych, przy pomocy lokalnej agentury komunistycznej i zorganizowanych bojówek (tzw. milicja ludowa). Wraz z oddziałami Specjalnych Okręgów Wojskowych Białoruskiego i Kijowskiego polską granicę przekroczyły grupy operacyjno-czekistowskie utworzone zgodnie z rozkazem NKWD ZSRR dnia 8 września 1939 roku. W ich skład weszli oficerowie operacyjnych centralnych i terenowych organów NKWD oraz operacyjno-polityczni funkcjonariusze wojsk pogranicznych, wsparci dwoma batalionami wojsk Białoruskiego i Kijowskiego Okręgów Pogranicznych. W celu koordynacji działań grup operacyjno-czekistowskich z dowództwem wojskowym, oddelegowano na Ukrainę zastępcę ludowego komisarza spraw wewnętrznych Wsiewołoda Mierkułowa, a na Białoruś Wiktora Boczkowa, naczelnika Oddziału Specjalnego NKWD ZSRR. Do zadań grup operacyjnych GUGB i Razwiedywatielnowo Uprawlienija Krasnoj Armii należało rozbicie struktur administracji Rzeczypospolitej Polskiej na zawojowanym terytorium wschodnim oraz zorganizowanie w ich miejsce nowych organów władzy w postaci zarządów tymczasowych. Grupy te opanowywały w pierwszej kolejności newralgiczne węzły infrastruktury Rzeczypospolitej Polskiej. Zajmowały budynki urzędów państwowych, banki, drukarnie, redakcje gazet, konfiskowały papiery wartościowe i archiwa. Dokonywały aresztowań i zatrzymań na podstawie przygotowanych uprzednio list proskrypcyjnych i bieżących donosów przedwojennej i pozyskanej agentury sowieckiej, wykrywały i ewidencjonowały współpracowników i funkcjonariuszy, żołnierzy polskich służb specjalnych, funkcjonariuszy polskiej administracji, działaczy partii, ugrupowań politycznych i społecznych.

Dnia 22 września w Brześciu kombrig Siemion Kriwoszein i niemiecki generał Heinz Guderian odebrali wspólną defiladę oddziałów pancernych niemieckich i radzieckich (w związku z przekazaniem miasta Armii Czerwonej przez Wehrmacht). Wkrótce po tym 28 września ZSRR i III Rzesza podpisały tzw. Traktat o granicach i przyjaźni, zwany też drugim paktem Ribbentrop-Mołotow, przypieczętowujący podział Polski, korygujący wcześniejsze ustalenia nt. przebiegu granicy niemiecko-radzieckiej oraz podziału stref wpływów w krajach bałtyckich. W tym ostatnim przypadku doprowadziło to niezwłocznie do wprowadzenia sowieckich baz wojskowych na terytorium tych państw z zachowaniem do czasu ich niezależności państwowej, a następnie w czerwcu 1940 roku do inwazji Armii Czerwonej na te kraje, ich formalnej aneksji przez ZSRR (sierpień 1940) i prześladowań ludności państw bałtyckich – m.in. po aneksji Litwy wysiedlono (w okresie czerwiec 1940 – czerwiec 1941) 25% ludności litewskiej – w oparciu o słynną ujawnioną później instrukcję deportacyjną Sierowa. Armia Czerwona wzięła do niewoli 250 tysięcy żołnierzy, w tym około 18 tysięcy oficerów, ok. 7 tysięcy żołnierzy poległo lub zginęło po wzięciu do niewoli. W walkach zginęło około 3 tysięcy żołnierzy, ok. 10 tysięcy było rannych. Dalszymi konsekwencjami agresji ZSRR na Polskę były masowe mordercze represje wobec Narodu Polskiego często ludobójstwa pozostających na wschodnich terenach Rzeczypospolitej Polskiej, grabież polskiego majątku narodowego i dóbr prywatnych – w głąb ZSRR wywożono sprzęt produkcyjny i dokumentację z zakładów przemysłowych, lokomotywy, wagony, samochody oraz inwentarz żywy i martwy. Obrabowano polskie muzea, biblioteki oraz archiwa i prywatne zbiory dzieł sztuki. Mimo czterokrotnej różnicy w sile nabywczej rubla w stosunku do złotego polskiego (faktycznie rubel był zaś fikcyjnym pieniądzem komunistycznej gospodarki niedoboru), obie waluty zostały we wrześniu 1939 zrównane przez władze sowieckie w kursie wymiany – co spowodowało natychmiastowe zniknięcie wszystkich towarów z rynku (przy masowym ich wykupywaniu przez żołnierzy sowieckich i ukrywaniu reszty przez sprzedawców wobec bezwartościowości sowieckiej waluty). Zablokowanie wszystkich kont bankowych i kas oszczędnościowych spowodowało gwałtowną pauperyzację ogromnych grup ludności, upadek instytucji dobroczynnych, kulturalnych i naukowych. 12 grudnia 1939 roku nastąpiło oficjalne wycofanie z obiegu złotego i zastąpienie go rublem przy likwidacji oszczędności bankowych i braku wymiany walut. W konsekwencji złote polskie były szmuglowane celem wymiany do Generalnego Gubernatorstwa, gdzie były wymieniane na młynarki. Zlikwidowano także wiele kościołów trzech głównych wyznań (w większości katolickich), które zamieniano na magazyny, składy, kina lub ośrodki radzieckiej Ligi Bezbożników – organizacji powstałej w 1925, która atakowała ateistyczną propagandą wiarę w Boga i uczucia religijne różnych grup wyznaniowych. Zastosowano także deportacje innych grup etnicznych i represje w stosunku do ukraińskich i białoruskich działaczy narodowych. Ocenia się, że w latach 1939-1945 doszło do przymusowego wywiezienia od 550 tysięcy do 1,5 miliona obywateli polskich w głąb ZSRR.