9月16日，舒伦堡再次要求苏联政府“现在就定一个开始出兵的日期和时刻”。莫洛托夫表示：即将进行干涉。同日，苏联同日本签订停战协定，协定规定，双方军队于9月16日停止军事行动。
9月17日凌晨2时，斯大林接见并正式通知舒伦堡，红军4小时后将沿波洛茨克—卡美涅茨—波多尔斯基一线开出国境。关于这次会见，舒伦堡在发给柏林的电报中作了详细的记述：“斯大林于晚上两点接见了我，在座的有莫洛托夫和伏罗希洛夫。斯大林宣布，红军将于今晨6时沿波洛茨克—卡美涅茨—波多斯基一线全线越过苏联边境。为了避免意外事故，斯大林迫切要求我们同意德国飞机今天不要飞越比亚威斯托克—布列斯特—里托夫斯克—伦堡(利沃夫)的东侧。苏联飞机今天将开始轰炸伦堡以东地区……斯大林给我念了一份今晚即将交给波兰大使的照会，并将把抄件在一天之内送给所有使团，然后予以公布。这份照会包括了苏联行动的理由。念给我听的草稿有三处是我们无法接受的。在答复我的异议时，斯大林胸有成竹地修改了我的文本，现在照会看来是我们满意的了。”
9月17日凌晨3时，苏联副外交人民委员波将金召见波兰驻苏联大使格日博夫斯基，向他递交了苏联政府的照会，照会声称：“鉴于波军的失败，苏联政府认为，有必要对同血统的乌克兰人和白俄罗斯人今后的命运进行关注。”接着，苏联外交人民委员莫洛托夫发表广播讲话称：“谁也不知道波兰领导人现在何处……苏联政府认为向自己居住在波兰的乌克兰弟兄和白俄罗斯弟兄伸出援助之手是自己的神圣职责……苏联政府已吩咐苏军总指挥部命令军队越过边界去保卫西乌克兰和西白俄罗斯人民的生命和财产安全。”
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2.不甘寂寞的苏联(2)
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苏军的入侵行动，实际上是17日凌晨5时40分开始的。当时的波兰军队在德军的猛烈冲击下已丧失统一的指挥，他们不知道如何对待苏军。苏军行进中散发了大量传单，号召波兰军队：“掉转自己的枪口，去反对地主和资本家!……每一个人都要支援红军部队前进!”并说，他们是来帮助波兰人打德国人的。于是，部分波军停止了战斗。但是，波兰人很快发现，苏军攻占波兰的城市，企图解除波军的武装；于是，在维尔纽斯、比亚威斯托克、乔尔特科和奥兰纳等地区，波军进行了激烈的抵抗。但毕竟力量悬殊，乌克兰方面军和白俄罗斯方面军的7个集团军、1个机械化集群、8个航空兵群及1个独立步兵军共60余万人，越过苏波边境线，进驻波兰东部的西乌克兰和西白俄罗斯。苏联的突然进攻对正在西线鏖战的波军来说无疑是雪上加霜。
9月18日晚，苏德两国电台播发了一份联合公报，继续为自己的不道德行径辩护。公报称：“为了防止对于苏德各自在波兰作战的目的产生种种无稽的谣言，德国政府和苏联政府声明，德苏军队的活动并不含有任何违反德苏两国利益的目的或违反德苏两国缔造的互不侵犯条约的精神和条文的目的。相反，德苏军队的目的是要在波兰恢复由于波兰国家的瓦解而遭到破坏的和平与秩序，同时帮助波兰人民创造新的政治生活条件。”
波兰总统莫希奇茨基获悉红军越过苏波边界后发表声明，宣布：“为了保护共和国的象征和保护宪法权力的泉源”，他决定暂时离开波兰，并准备在某个可以保证政府行使主权的地方建立行政中心，继续维护本共和国的利益。并于当晚离开波兰，进入罗马尼亚。
苏军进入波兰后，苏德两国就双方的势力范围进行了一系列具体磋商。德国政府允诺将履行条约，但斯大林对“德国统帅部届时是否把军队……撤到已经商定的一线——皮萨河、纳雷夫河、维斯瓦河、桑河一线——仍持怀疑态度。为了消除斯大林的疑虑，19日，里宾特洛甫通过舒伦堡转告斯大林，由元首授权在莫斯科达成的协议“当然要予以遵守”，因为这些协议是“苏德之间新的友好关系的奠基石”。
9月20日，苏德军方在比亚威斯托克举行会议，就苏德两国的军事行动作了协调。德军表示，凡超过8月23日议定书所规定的分界线达150英里以上的，将立刻开始撤退到四条河流的分界线。对北段边界的划分，苏联采取了十分谨慎的态度，因为8月23日的秘密议定书对维尔纽斯地区没有划定分界线。
9月22日，苏军占领了比亚威斯托克和利沃夫。
9月27日，里宾特洛甫再次飞抵莫斯科，与苏联政府于9月28日签订苏德边界友好条约。条约规定：苏德“两国政府在前波兰国家领土上，划定界线，作为两国国界”。双方承认该界线是“两国最后的国界”。任何第三国对此项决定不得干涉。两国政府将各自在自己界线以内原波兰领土上“实行必要的改革”。此外，该条约的秘密议定书还规定，将波兰的卢布林省和华沙省部分地区划归德国。作为交换，立陶宛国家的领土划归苏联的利益范围。立陶宛西南方向一角之地仍留给德国。通过这一划分，苏联从波兰分得约20万平方公里的领土，人口达1300万。
在签订边界条约的同一天，苏军抵达苏德分界线。越过分界线的德军先头部队，奉命撤回该线以西，苏德军队友好地会师了。在这场战争中，约23万波兰官兵被苏军俘虏，并押送苏联内地；而苏军只死亡737人，伤1862人。华沙的守军于9月28日向德军投降，波军残部的零星抵抗一直坚持到10月初。
在签订边界条约的同一天，苏德政府还发表了联合声明，宣称：由于波兰国家的灭亡，“从而为东欧的持久和平奠定了坚实的基础”。声明号召英、法停止对德战争，否则，“苏联政府和德国政府将共同协商采取必要的措施”。
边界划定后，苏联政府即把占领区划分为西乌克兰和西白俄罗斯两大行政区，并建立了相应的临时行政机构，南方以利沃夫，北方以比亚威斯托克为行政中心。临时行政机构的成员由当地拥护苏联的居民、红军军官组成。城市成立了工人纠察队，农村成立了村苏维埃和保卫委员会。10月22日，在利沃夫产生了西乌克兰人民会议，在比亚威斯托克出现了西白俄罗斯人民会议。10月27日，西乌克兰人民会议发表《关于建立乌克兰国家政权的宣言》，同时要求加入苏联。10月29日，西白俄罗斯人民会议也发表了类似的宣言。苏联最高苏维埃第五次特别会议于11月1—2日通过法令，批准西乌克兰加入乌克兰苏维埃社会主义共和国，西白俄罗斯加入白俄罗斯苏维埃社会主义共和国。就是在这次最高苏维埃会议上，苏联人民委员会主席兼外交人民委员莫洛托夫，发表了苏联关于对外政策的长篇演说，其中包括侵略者和被侵略者相互换位的错误言论。提到波兰时，他俨然以征服者的口吻说道：“波兰统治阶级曾大言不惭地宣称，他们的国家如何‘巩固’，他们的军队如何‘强大’。然而，首先由德军，随之由红军，给了波兰一个迅速的打击，于是凡尔赛条约的这个怪胎便荡然无存”。
东、西部边界环境改善后，苏联政府开始把保障安全的重点转移到西北部。列宁格勒是苏联人口最多的第二大城市，工业和文化的中心，十月革命的摇篮。这里距苏芬边界仅32公里；该地最大的军港克隆斯达距苏芬边界仅10余公里，均处在远射程大炮的火力杀伤范围之内。苏联政府担心，英法德等国会像1918、1919年那样以芬兰为跳板，对苏联构成威胁，担心“芬兰会成为开启列宁格勒的钥匙，而彼得格勒又会成为开启莫斯科的钥匙”。为确保这一地区的安全，早在1938年4月，苏联政府就非正式地建议与芬兰政府签订互助条约。但是，鉴于国际形势的日趋紧张、战争威胁愈益严重的现实情况，芬兰的对外政策开始向“联络斯堪的维亚半岛各国以自保”转变。1938午，芬兰参加了奥斯陆中立集团，声明不承担国际联盟第十六条的制裁义务；1939年4月，在芬兰首都赫尔辛基召开的北欧外交会议上，芬兰政府明确宣布奉行局外中立政策，缔结互助条约将“意味着损害芬兰的自决权”，因而拒绝了苏联的建议。
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2.不甘寂寞的苏联(3)
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1939年3月，苏联政府提出：把芬兰湾内的苏尔岛(即戈格兰岛)、拉凡岛、塞伊斯卡里岛(即塞斯卡尔岛)和季乌林岛租借给苏联，以建立军事基地，保障列宁格勒及苏联西北部的安全。3月8日，芬兰政府指出，这些岛屿对于维护芬兰安全也具有十分重要的战略意义，而且租借一事也有违芬兰奉行的中立政策，因此表示“不能考虑租借芬兰岛屿的建议”。苏联外交人民委员李维诺夫希望“这不是芬兰政府的最后答复，仍希望芬兰政府将重新考虑它对苏联建议的态度”。同时，他还表示，愿以二倍于上述岛屿面积的苏维埃卡累利阿的领土相交换。1939年4月，芬兰再次拒绝了苏联的建议，谈判中断。
1939年9月1日第二次世界大战爆发后，苏联对芬兰有可能成为入侵苏联的桥头堡的担忧更加强烈，解决西北边界安全的心情也更加迫切。