Łącznie siły pierwszego rzutu obejmowały ok. 620 tys. żołnierzy, 4,7 tys. czołgów i 3,3 tys. samolotów. Jednostki te posiadały prawie dwa razy więcej czołgów niż Wehrmacht w dniu 1 września 1939 i dwa razy tyle samolotów bojowych co Luftwaffe na froncie polskim.
Ta olbrzymia siła zaatakowała nad ranem wypełniając z opóźnieniem porozumienie podpisane kilka tygodni wcześniej w ramach paktu Ribbentrop-Mołotow. Stalin wiedział bowiem, że Anglicy i Francuzi mieli uderzyć na Niemców najpóźniej w dwa tygodnie po wypowiedzeniu wojny, a więc 14 dni po 3 września. Brak uderzenia utwierdził Moskwę w przekonaniu, że Londyn i Paryż grają na zwłokę.
Oficjalny pretekst agresji był zawarty w przekazanej o godzinie 3.00 w nocy 17 września przez zastępcę Ludowego Komisarza 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. 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.
Od momentu uderzenia rozpoczęły się zbrodnie wojenne popełniane na wojskowych i cywilach. Ich liczbę szacuje się na 2,5 tysiąca. 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).
Marszałek Rydz-Śmigły wydał nad ranem 17 września w Kołomyi rozkaz:
"Sowiety wkroczyły. Nakazuję ogólne wycofanie na Rumunię i Węgry najkrótszymi drogami. Z bolszewikami nie walczyć, chyba w razie natarcia z ich strony lub próby rozbrojenia oddziałów. Zadanie Warszawy i miast, które miały się bronić przed Niemcami – bez zmian. Miasta do których podejdą bolszewicy, powinny z nimi pertraktować w sprawie wyjścia garnizonów do Węgier lub Rumunii."
Brak ogłoszenia stanu wojny z którejkolwiek strony doprowadził do dezorientacji żołnierzy polskich. Na przykład w Brześciu nad Bugiem wzięto do niewoli kilkadziesiąt tysięcy polskich żołnierzy, którzy nie stawiali oporu. Ostatecznie liczba zatrzymanych żołnierzy i oficerów sięgnęła 250 tysięcy.
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). sześć dni później podpisano traktat o nowych granicach między ZSRR a III Rzeszą. Walki z nacierającymi jednostkami Armii Czerwonej trwały miejscami do 1 października. Po tym dniu kontynuowały je struktury wojskowe Państwa Podziemnego.