Trong lúc tiến vào vùng Đông Ba Lan, Hồng quân hoặc những nhóm du kích Ucraina chống Ba Lan đã tiến hành xử bắn những tù binh được cho là cứng đầu. Sử gia Andrzej Friszke cho rằng 2.500 tù binh chiến tranh bị xử bắn (Binh lính Ba Lan, Cảnh sát) và hàng trăm viên chức dân sự. Khi Liên Xô kêu gọi người dân Ukraina và Belarus vùng dậy, các nhóm du kích Ucraina đã gây bạo động và xử bắn quân Ba Lan. Những tội phạm được biết tới nhiều nhất xảy ra ở Katyn, Rohatyn, Grodno, Nowogródek, Sarny, Tarnopol, Wołkowysk, Oszmiana, Świsłocz, Mołodeczno và Kosów Poleski. Các vụ xử bắn khởi đầu từ đề xuất của L. P. Beriya rằng phải xử bắn tất cả các sĩ quan Ba Lan cứng đầu, ngày 5 tháng 3 năm 1940. Tài liệu chính thức này đã được Bộ Chính trị, gồm cả lãnh đạo I. V. Stalin, ký và đóng dấu. Số lượng tù binh bị xử bắn được ước tính khoảng 22.000 người, với con số thấp là 21.768 người. Tù binh bị xử bắn tại Rừng Katyn Nga, các trại tù Kalinin và Kharkiv và những nơi khác. Khoảng 8.000 trong số đó là các sĩ quan Ba Lan bị bắt làm tù binh trong cuộc tấn công năm 1939, 6.000 người khác là các sĩ quan cảnh sát, số còn lại là những người Ba Lan bị bắt giữ vì bị coi là các "nhân viên tình báo, sen đầm, địa chủ, những kẻ phá hoại, chủ nhà máy, luật sư, viên chức và thầy tu."