La sfârșitul anului 1919, Petliura s-a retras în Polonia, al cărei guvern îl recunoscuse ca șef al guvernului legal al Ucrainei. În martie 1920, ca șef al Republicii Populare Ucrainene, a semnat, la Lublin, o alianță cu guvernul polonez, recunoscând, totodată, râul Zbruci ca linie de demarcație între cele două state și acceptând ocuparea de către Polonia a Lvivului și a Galiției, primind, la schimb, ajutor militar și politic în lupta pentru alungarea regimului bolșevicilor. În 1920, forțele poloneze sprijinite de resturile armatei lui Petliura (cam 2 divizii) au atacat Kievul, în timpul războiului polono-bolșevic (1919-1921). După succesul inițial, forțele lui Piłsudski și Petliura au fost respinse până spre râul Vistula și spre Varșovia. Armatele poloneze au reușit, în cele din urmă, să înfrâgă trupele bolșevice, dar nu au reușit să asigure și independența Ucrainei. După Pacea de la Riga, Ucraina a fost împărțiră între Polonia și Rusia Sovietică. Petliura a condus guvernul ucrainean în exil, mai întâi din Tarnów și mai apoi din Varșovia.