当德军在沃维奇、维斯瓦河和布祖拉河等地域击败波军的反突击之后，剩下的就是围攻波兰首都华沙了。留在维斯瓦河以北的第4集团军兵团继续向南进攻，从北面和西面合围了莫德林要塞(第一次世界大战时称为新格奥尔吉耶夫斯克)。在德军的北方集团军群主要突击方向行动的第3集团军已在维斯瓦河以东进攻。它紧随古德里安的坦克军推进，后者在突破图霍拉荒野的波军防御后，立即穿越东普鲁士，在第3集团军左翼进入战斗，对退却的波军进行平行追击。9月9日，该集团军在沃姆扎地域渡过那累夫河，随后不可遏止地向南疾进9月11日，在维什库夫及其以东地域渡过布格河。接着，第3集团军从东面深远迂回华沙，经谢德尔采西进，以便合围波兰首都，切断波军沿维斯瓦河的退路。同时，古德里安的快速兵团向东南推进。9月13日，波兰东北部的奥斯韦茨要塞落入德军手中。
9月14日，德军先遣队突破了布列斯特堡垒线，逼近内城堡。9月15日，古德里安的第19装甲军包围了布列斯特，其下辖的第3装甲师和第2摩托化步兵师继续向南推进，以便与南方集团军群的右翼李斯特的第14集团军完成最后的纵深合围。与此同时，第14集团军的前锋—克莱斯特将军的第22装甲军包围了科沃夫之后继续北进。16日，在符沃达瓦地区，南、北方集团军群会师，从而完成了对波军的外线合围。波军主力已经被团团围困在布格河、察河与维斯瓦河三角地带，德军航空兵开始对包围之中的华沙城实施狂轰滥炸。9月17日，德军限令华沙当局于12小时内投降。波兰政府和波军统帅部已于16日越过边界逃往罗马尼亚。
苏联与波兰的关系在历史上一直较为复杂。在二战前夕，苏联曾与德国商讨过瓜分波兰的事宜，但由于双方签订了互不侵犯条约，苏联始终未能付诸实践。然而，波兰政府的出逃为苏联提供了一个“体面”出兵的理由。
根据苏联政府的声明，由于波兰政府已不存在，苏波互不侵犯条约不再有效。因此，苏联决定进驻波兰东部地区。1939年9月17日凌晨，苏联白俄罗斯方面军和乌克兰方面军分别在科瓦廖夫大将和铁木辛哥大将的率领下，越过波兰东部边界向西线推进。9月18日，德苏两国军队在布列斯特会师。
在抗击德国侵略者、保卫华沙的战斗中，波兰人民写下了悲壮的一页。实际上，华沙保卫战早在9月8日就已经开始。当时，德军坦克冲到华沙南郊，企图袭入市中心，但遇到华沙保卫者的顽强抵抗。这次抵抗迫使德军指挥部放弃了一举拿下波兰首都的计划，开始进行有步骤的准备。
9月10日，德军坦克从东面迂回华沙。第3集团军的兵团进至华沙市的北郊。波兰首都的守备部队被合围。这时防守华沙的有17个步兵营、10个轻型炮兵连、6个重型炮兵连和1个坦克营。然而，要保卫这样一座大城市，这点兵力显然是杯水车薪。
华沙保卫战是第二次世界大战期间波兰和纳粹德国之间的最后一战，发生于1939年9月。在数次由德国挑起的事件后(如格莱维茨事件，希姆莱行动的一部份),其中德国的宣传，以此为借口，要求德军部队实施自我防卫。然而，这些要求被拒绝后，德国于9月1日发动了对波兰的进攻。
在整场战役中，波军亡6.6万余人，伤13.3万人，被德军俘虏694万人，10万人逃至邻国；德军1万余人阵亡，3万余人负伤，3400余人失踪。
