В 19 ч. 10 мин. командир 2-го батальона, развернутого на южной и юго-западной окраине города, подполковник С. Шилейко доложил о появлении советских танков и запросил разрешения открыть огонь. Пока Окулич-Козарин отдал приказ об открытии огня, пока этот приказ передали войскам, восемь советских танков уже прошли первую линию обороны, и для борьбы с ними были направлены резервные части.
Около 20 часов Окулич-Козарин отдал приказ на отход войск из города и выслал подполковника Т. Подвысоцкого в расположение советских войск, чтобы уведомить командование, что польская сторона не хочет с ними сражаться, и потребовать их ухода из города. После этого Окулич-Козарин уехал из Вильно, а Подвысоцкий решил защищать город и около 21 ч. 45 мин. отдал приказ о приостановке отхода войск.
А в это время в Вильно шли уличные бои, в которых участвовала в основном виленская молодежь. Учитель Г. Осиньский организовал из учащихся гимназий добровольные команды, занявшие позиции на возвышенностях. Стреляли только старшеклассники, а те, кто помоложе, подносили боеприпасы и обеспечивали связь.
18 сентября около 19 ч. 30 мин. к Вильно подошли 8-й и 7-й танковые полки и завязали бой за южную часть города. 8-й танковый полк в 20 ч. 30 мин. ворвался в южную часть города, а 7-й танковый полк, натолкнувшись на активную оборону, только на рассвете 19 сентября вошел в юго-западную часть Вильно.
Тем временем 6-я танковая бригада форсировала Березину, прошла Гольшаны и в 20 часов 18 сентября была уже на южных окраинах Вильно, где установила связь с 8-м танковым полком. Польские отряды молодежи с горы Трех Крестов обстреляли из артиллерийских орудий наступающие советские танки. Также поляки широко использовали бутылки со смесью бензина и нефти и подожгли один советский танк.
19 сентября к 8 часам утра к Вильно подошли части 3-го кавалерийского корпуса. 102-й кавалерийский полк начал наступление на юго-восточную окраину города, 42-й кавалерийский полк обошел город с востока и сосредоточился на его северо-восточной окраине, а 7-я кавалерийская дивизия начала обходить Вильно с запада. К 13 часам был занят железнодорожный вокзал. В 16 часов началась перестрелка у Зеленого моста, в ходе которой поляки подбили одну бронемашину и один танк. Еще в 11 час. 30 мин. подошла мотогруппа 3-й армии.
К 18 часам 19 сентября обстановка в Вильно нормализовалась, хотя вплоть до 2 часов ночи 20 сентября то тут, то там возникали отдельные перестрелки.
В боях за Вильно 11-я армия потеряла 13 человек убитыми и 24 ранеными, было подбито 5 танков и 4 бронемашины.
20–23 сентября советские войска подтягивались к Вильно и занимались очисткой города и прилегающих районов от польских частей. Всего было взято в плен около 10 тысяч человек, трофеями советских войск стали 97 паровозов, 473 пассажирских и 960 товарных вагонов (из них 83 с продовольствием, 172 с овсом, 6 с боеприпасами, 9 цистерн с бензином и 2 цистерны со спиртом).
19 сентября в 3 ч. 30 мин. 3-я армия получила приказ организовать охрану латвийской и литовской границы.
Вечером 18 сентября войска 16 стрелкового корпуса 11-й армии развернулись на северо-запад и двинулись к городу Лиде. 19 сентября Лида была взята почти одновременно частями 11-й армии и конно-моторизованной группы.
Южнее 11-й армии наступала конно-моторизованная группа, имевшая задачей в первый день наступления достичь Любча и Кирин, а на следующий день форсировать реку Молчадь и двигаться на Волковыск.
Вечером 17 сентября 6-й кавалерийский корпус форсировал реку Ушу. Передовой отряд 11-й кавалерийской дивизии в ночь на 18 сентября занял Новогрудок. 19 сентября в 3 часа ночи мотоотряд под командованием командира корпуса А. И. Еременко занял Волковыск.
Вечером 20 сентября части конно-моторизованной группы двинулись с юга на Гродно. В городе к тому времени находились два батальона и штурмовая рота 29-й пехотной дивизии, 31-й караульный батальон, 5 взводов позиционной артиллерии (5 орудий), 2 зенитно-пулеметные роты, двухбатальонный отряд полковника Ж. Блюмского, батальон национальной обороны «Поставы» и спешенный 32-й дивизион Подляской кавалерийской бригады. В городе было много жандармерии и полиции. Командующий округом «Гродно» полковник Б. Адамович был настроен на эвакуацию частей в Литву.
