Севернее наступали части 2-го кавалерийского корпуса. Утром 18 сентября они форсировали реку Серет и в 10 часов утра получили приказ командования Украинского фронта форсированным маршем двинуться к Львову и занять его. Так как конский состав нуждался в отдыхе, командир корпуса создал сводный мотоотряд из 600 спешенных кавалеристов, посаженных на танки 5-й кавалерийской дивизии и батальона 24-й танковой бригады под командованием командира 5-й кавалерийской дивизии комбрига И. Шарабурко. Этот отряд двинулся к Львову. По дороге красноармейцы взяли в плен до 6 тысяч польских солдат. Остальные войска 6-й армии также продвигались к Львову.
12–18 сентября 1-я и 2-я германские горнопехотные дивизии окружили Львов с севера, запада и юга. С востока к городу двигались части Красной Армии. В ходе этого марша 14-я кавалерийская дивизия у Сасува вступила в бой с местным гарнизоном и полицейскими, в результате в плен попало 1155 поляков, и трофеями красноармейцев стали 1200 винтовок. В ночь на 19 сентября от Бродок ко Львову подошла польская колонна, которая также была разоружена частями РККА. В плен было взято 12 096 польских солдат, трофеями Красной Армии стали 12 тысяч винтовок, 26 орудий, 275 пулеметов, 32 автомашины и 1200 лошадей. К утру 19 сентября 2-й кавалерийский корпус занял Злочув, а к вечеру 20 сентября 14-я кавалерийская дивизия вышла на рубеж Ярычев — Барщевеще, а 3-я кавалерийская дивизия подошла к линии Калиновка — Бялка — Шляхецкая, то есть находилась в 8 км от Львова.
В этот день, 20 сентября, 38-я и 10-я танковая бригады и сводный отряд 97-й и 96-й стрелковых дивизий вошли в подчинение 2-му кавалерийскому корпусу, и началась подготовка к штурму. Штурм Львова был намечен на 9 утра 21 сентября.
19 сентября около 2 часов ночи к Львову подошел сводный мотоотряд 2-го кавалерийского корпуса и 24-й танковой бригады (всего 35 танков). Польская артиллерия открыла огонь. Преодолевая уличные баррикады, разведрота (6 танков) дошла до центра города, где была встречена огнем батареи, расположенной у костела. Поляки подбили головной танк. Тогда командир разведроты старший лейтенант Чуфаров, сбив орудие с костела, поджег выстрелом снаряды противника. Орудийная прислуга разбежалась, а офицеры закричали: «Не штрелять!» Но тут по танкам был открыт ружейно-пулеметный огонь из казарм и окрестных домов. Танкисты отвечали, обстреливая дома. К 4 ч. 30 мин. огонь с обеих сторон прекратился.
Капитан Шуренков связался с польским штабом и вызвал начальника гарнизона Львова для переговоров о сдаче города. 19 сентября в 6 часов утра части заняли свои места и приступили к обезоруживанию польских войск, подходивших к Львову, а разведбатальон обезоруживал казармы, расположенные в самом городе.
В 6 ч. 30 мин. к командиру танковой бригады прибыло два польских майора для переговоров, но командир вести с ними переговоры не захотел и велел прибыть лично начальнику гарнизона или начальнику штаба. В 7 часов утра прибыли полковник и два других майора, с ними командир бригады также не стал вести переговоры. В 7 ч. 40 мин. прибыл начальник штаба гарнизона полковник генерального штаба Б. Раковский, а с ним два полковника и три майора. Командир танковой бригады назвался командиром танкового корпуса, который окружил Львов, и предложил сдать город. Начальник штаба гарнизона ответил, что он не уполномочен принимать такое решение и должен получить на это указание своего начальства. На это ему было дано два часа. Командир бригады потребовал от начальника штаба львовского гарнизона, чтобы все советские танки, находившиеся на тот момент в городе и на его окраинах, продолжали оставаться на своих местах и чтобы начальник штаба разрешил занять командные пункты для наблюдения за немецкими позициями, прилегавшими полукольцом к городу. Согласие на это было получено.
В 8 ч. 30 мин. немцы неожиданно предприняли атаку на западную и южную окраины города. Советские танки и бронемашины оказались между двух огней — немцев и поляков. Тогда командир бригады послал к немцам бронемашину, на которой был укреплен белый флаг (кусок нижней рубахи на палке). Советские танки и бронемашины выбрасывали красные и белые флажки, но огонь по ним с обеих сторон не прекращался, тогда из танков и бронемашин был открыт ответный огонь. При этом у немцев было подбито три противотанковых орудия, убито три офицера и ранено девять солдат. Наши потери составили две бронемашины и один танк, убито три человека и ранено четыре.
Вскоре огонь был прекращен, с бронемашиной прибыл командир 137-го полка немецкой горнопехотной дивизии полковник фон Шляммер, с которым командир бригады в немецком штабе договорились по всем спорным вопросам. Красноармейцы подобрали своих раненых и убитых, а немцы — своих.
19 и 20 сентября неоднократно велись переговоры между командованием 24-й танковой бригады и представителями командования немецкой горнопехотной дивизии о прекращении боевых действий и ликвидации возникших конфликтов. В результате переговоров отношения были нормализованы, и впоследствии между частями советской 24-й танковой бригады и немецкой горнопехотной дивизии никаких недоразумений не возникало. В ходе переговоров командующего артиллерией Украинского фронта комбрига Н. Д. Яковлева с германским командованием стороны требовали друг от друга отвести войска от города и не мешать его штурму. К вечеру 20 сентября германские войска получили приказ отойти от Львова.
22 сентября в 14 часов польские войска стали складывать оружие, а в 15 часов части 2-го кавалерийского корпуса в пешем строю вместе с танками 24-й, 38-й и 10-й танковых бригад вступили в город. Гарнизон в целом выполнил соглашение о сдаче, но отдельные группы офицеров в нескольких местах открыли огонь с баррикад, эти очаги сопротивления были быстро подавлены с помощью танков. К вечеру 23 сентября во Львове был наведен порядок, и основные силы советских войск отошли на окраины города.
На самом южном фланге Украинского фронта по линии Сатанов — река Днестр наступала 12-я армия. В 5 часов утра 17 сентября части 12-й армии форсировали реку Збруч. К 16 часам танки перешли вброд Днестр и захватили на аэродроме около Городенки шесть польских самолетов.
18 сентября 23-я танковая бригада заняла Коломыю, разоружив там до 10 тысяч поляков из состава 24-й и остатков 2-й и 5-й пехотных дивизий. В 2 часа ночи 19 сентября бригада двинулась к Станиславову и в тот же день в 14 часов подошла к нему. Дальше танки пошли на Галич, прибыв туда вечером того же дня. Наутро 23-я танковая бригада выступила из Галича и через Калуш, Долину и Болехов 21 сентября достигла Стрыя.
19 сентября части 25-го танкового корпуса заняли Галич, захватив мосты через Днестр, Завадку и Збору. В тот же день 4-й кавалерийский корпус вошел в район Рогатин — Бурштын. 26-я танковая бригада вышла в район Галич — Большовцы.
Передовые отряды 13-го стрелкового корпуса продвигались к Станиславову. 19 сентября корпус был подчинен командующему погранвойсками НКВД комдиву Осокину, который получил приказ Военного совета Украинского фронта «немедленно закрыть границу», чтобы «не допустить ни в коем случае ухода польских солдат и офицеров из Польши в Румынию». С 21 сентября основные силы 13-го стрелкового корпуса были развернуты вдоль границы с Румынией и Венгрией от реки Збруч до Бескид.