В начале сентября 1939 года срочно вызван в Киев и назначен командующим войсками Кавалерийской армейской группы Киевского Особого военного округа. 16 сентября назначен командующим войсками Каменец-Подольской армейской группы Украинского фронта, 20 сентября — командующим войсками Южной армейской группы Украинского фронта, а 24 сентября — командующим войсками 12-й армии. На этих постах провёл Польский поход РККА в сентябре 1939 года. После завершения боевых действий и размещения войск на занятых территориях в октябре 1939 года вернулся к исполнению обязанностей командующего войсками Закавказского ВО. В июне 1940 года, с введением в РККА генеральских званий, Тюленев стал одним из трёх первых советских генералов армии, наряду с Г. К. Жуковым и К. А. Мерецковым.