В этот день, 20 сентября, 38-я и 10-я танковые бригады и сводный отряд 97-й и 96-й стрелковых дивизий вошли в подчинение 2-му кавалерийскому корпусу, и началась подготовка к штурму Львова, намеченному на 9 утра 21 сентября.
19 сентября, около 2 ч 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 ч 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 в расположение танковой бригады прибыли два польских майора для переговоров, но командир вести с ними переговоры не захотел и потребовал личного присутствия начальника гарнизона или начальника штаба. В 7 ч утра прибыли полковник и два других майора, но им также было отказано. В 7 ч 40 мин появились начальник штаба гарнизона полковник генерального штаба Б. Раковский, 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 были подбиты три противотанковых орудия, убиты три офицера и ранены девять солдат. Наши потери составили две бронемашины и один танк, убиты три человека и ранены 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 ч, польские войска стали складывать оружие, а в 15 ч 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 ч утра 17 сентября части 12-й армии форсировали реку Збруч. К 16 ч 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 ч ночи 19 сентября бригада двинулась к Станиславову и в тот же день в 14 ч подошла к нему. Дальше танки пошли на Галич и прибыли 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 — Болыновцы.
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.
20 сентября части 12-й армии подошли к линии Николаев — Стрый. В районе Стрыя советское командование установило контакт с немецкими войсками, и 22 сентября немцы передали Стрый Красной армии, а на следующий день туда вошла 26-я танковая бригада. В результате переговоров советские войска были остановлены на достигнутой линии.
21 сентября, в 10 ч 30 мин, в штабы Белорусского и Украинского фронтов поступило приказание наркома обороны, по которому все войска должны были оставаться на линии, достигнутой передовыми частями к 20 ч 20 сентября. Перед войсками ставилась задача подтянуть отставшие части и тылы, наладить устойчивую связь, находиться в полной боевой готовности и принять меры для охраны тылов и штабов. Командованию Белорусского фронта разрешалось продолжить наступление в Сувалкском выступе.
А тем временем руководство СССР и Германии вело напряженные переговоры, на которых решалось, где должна проходить демаркационная линия между советскими и германскими войсками.
20 сентября, в 16 ч 20 мин, начались переговоры между К. Е. Ворошиловым и Б. М. Шапошниковым — с одной стороны, и генералом Кестрингом, полковником Г. Ашенбреннером и подполковником Г. Кребсом — с другой. Стороны договаривались о порядке отвода германских войск и продвижении советских войск на демаркационную линию. Следующий раунд переговоров состоялся с 2 до 4 ч ночи 21 сентября, стороны уточнили сроки выхода на демаркационную линию и подписали советско-германский протокол, в котором говорилось:
