10 сентября маршал Рыдзь-Смиглы приказал своим войскам отступать на юго-восток Польши, но к этому времени немцы уже прорвали польские оборонительные линии на Висле, Буге и Сане. Восемь дней спустя маршал бежал в Румынию, в то время как шесть польских дивизий рвались на помощь столичным гарнизонам. 10-14 сентября 4-я танковая дивизия немцев вела оборонительные бои на двух фронтах.
Польская армия отчаянно пыталась несколько раз перейти в плохо скоординированное наступление. 12 сентября польская пехота при поддержке двух танковых рот была брошена в бой против частей вермахта в Мокотове, юго-восточном районе Варшавы, заставив 4-ю танковую дивизию отступить. Танкисты извлекли суровый урок боевых действий в городских условиях. В предместьях Варшавы 4-я танковая дивизия потеряла 57 из 120 танков, подбитых польскими артиллеристами. 26-я и 27-я польские дивизии были брошены в наступление и сумели оттеснить немцев, однако их успех был недолгим. 2-й польский танковый батальон, отступив к Бресту, 15 сентября принял участие в боях под Влодавой. Через два дня экипажи испортили свои танки и скрылись в Румынии. 21 сентября после боев под Томашовом-Любельским 1-й польский танковый батальон уничтожил свой последние танки и сдался в плен.
Теснимые частями вермахта поляки оказались заперты в ловушку на правом берегу реки Бзура, но 17 сентября безуспешно попытались перейти в контрнаступление. В тот же день войска Красной Армии вошли в Восточную Польшу и заняли земли, населенные украинцами и белорусами. Советские части не встретили особого сопротивления и на следующий день заняли Вильнюс, а 19 сентября сомкнулись с немецкими войсками в Брест-Литовске.
.Несколько танков ТК8, вооруженные 20-мм противотанковыми пушками, в умелых руках оказались мощным оружием, в чем получили возможность убедиться танкисты 6-й немецкой танковой дивизии. 18 сентября неподалеку от Помехи, что в Центральной Польше, курсант Роман Орлик из Волынской кавалерийской бригады подбил из своей танкетки три вражеских танка PzKpfw 35(t), одним из которых командовал лейтенант Виктор Гогенлоэ (принц фон Ратибор) из 11-го полка 6-й танковой дивизии. К этому времени поражение поляков стало очевидным. Последующее сопротивление было явно бессмысленным, и польская армия капитулировала.
Остатки 19 польских дивизий и 3 кавалерийских бригад, то есть примерно 100 тысяч человек, оказались запертыми в котле в районе Кутно и 19 сентября сдались частям 8-й армии вермахта. На юго-востоке страны, в Лемберге (Львове) и Перемышле, поляки предприняли ряд яростных контратак против частей 1-й немецкой горнострелковой дивизии, приписанной к 14-й армии. Поход Красной Армии положил конец попыткам немцев захватить Лемберг, и город сдался русским. Последние подразделения польской армии сдались немцам 5 октября.
