Mezi 8. až 10. září se Němci přiblížili ze severu a jihu k Varšavě, avšak polské divize sevřené v Poznani, západně od Varšavy, podnikly rozhodný protiútok. 17. září překročila sovětská Rudá armáda polské východní hranice a v tentýž den byla Varšava zcela obklíčena Němci. Po dalších jedenácti dnech bojů a intenzivního dělostřeleckého a leteckého bombardování obležené polské hlavní město kapitulovalo. V té době byla prakticky celá země v rukou Němců a Sovětů, pouze izolované kapsy vytrvávaly v odporu, jenž trval do 6. října. Po završení bojů si Němci a Sověti rozdělili svoji kořist: západní území Polska byla začleněna do Říše, zatímco východní Polsko se stalo součástí Sovětského svazu. Střední Polsko bylo přeměněno v Generální gouvernement okupovaný Němci. Na dobytém území byly zahájeny rozsáhlé represálie proti civilnímu obyvatelstvu. Probíhaly deportace na nucené práce, popravy Židů a likvidace polské inteligence v rámci tzv. operace Tannenberg. Na tomto teroru se podílely především Himmlerovy Einsatzgruppen a jednotky SS-Totenkopfverbände. Stejně nemilosrdné metody uplatňovali Sověti ve východní části Polska. 22 000 polských důstojníků zajatých Rudou armádou bylo na Stalinův příkaz popraveno NKVD v tzv. katyňském masakru.