Обманутая союзниками и «гарантами» безопасности, Польша сражалась в одиночестве. Войска вермахта прорвали польскую оборону на большую глубину и дезорганизовали ее. И президент, и правительство, и главное командование польской армии 6 сентября бежали из столицы. 8 сентября немцы вышли к предместьям Варшавы. Началась героическая оборона столицы, продолжавшаяся 20 дней. Во Второй мировой войне это был первый пример сопротивления агрессору населения крупного города в условиях полного окружения. Варшаву защищали 17 пехотных батальонов, 10 батарей легкой и 6 батарей тяжелой артиллерии, один батальон танков. На помощь войскам пришли ее жители. Они строили баррикады и противотанковые заграждения, помогали раненым, тушили пожары. С 5 сентября стали формироваться рабочие батальоны, в которые вступило более 6 тысяч человек. 12 сентября из них была создана Варшавская добровольческая рабочая бригада. Войска и гражданское население мужественно отстаивали столицу Польши. Такого упорного сопротивления германские войска не ожидали.

С 22 сентября началась усиленная воздушная бомбардировка и артиллерийский обстрел Варшавы. 27 сентября в воздушном налете на Варшаву участвовало 1150 самолетов люфтваффе. Впервые во Второй мировой войне гитлеровцы применили варварскую бомбардировку и массированный артиллерийский огонь против крупного города, когда поражались не военные объекты, а жилые районы. Все острее защитники Варшавы ощущали недостаток боеприпасов, воды, продовольствия, медикаментов. Они потеряли 5 тысяч убитыми и около 16 тысяч раненными солдат и офицеров, приблизительно 25 тысяч убитыми и несколько десятков тысяч ранеными среди гражданского населения. Исчерпав все силы и средства, которые можно было использовать для обороны, командование варшавского гарнизона 28 сентября вынуждено было подписать акт о капитуляции.

Всюду, где удавалось, поляки стояли насмерть. Мужественно сражались польские летчики, сбившие более 130 самолетов противника. Малочисленный гарнизон польской военной базы Вестерплатте в окрестностях Данцига более недели отражал атаки превосходящих сил немцев с суши и моря. До 26 сентября шли ожесточенные бои в районе Томашув — Любельски. В условиях полного окружения до 30 сентября сопротивлялся гарнизон крепости Модлин. До 2 октября малочисленный гарнизон на полуострове Хель, взаимодействуя с кораблями польского военно-морского флота, отражал атаки двух полков немецкой пехоты. Оперативная группа «Полесье» успешно сражалась со 2 по 4 октября, но из-за отсутствия боеприпасов вынуждена была 5 октября капитулировать.

Это были отдельные очаги сопротивления, показавшие силу и решимость польского народа сражаться с врагом. Они не могли изменить определившийся исход войны.

Советский Союз, несмотря на враждебное к нему отношение польского правительства, предпринял шаги к оказанию помощи своему попавшему в беду соседу. Как писал в своих воспоминаниях Юзеф Бек, министр иностранных дел Польши, в первые дни войны советский посол в Варшаве Н. Шаронов заявил ему о готовности СССР предоставить Польше возможность приобретать у него крайне необходимые ей товары, в частности санитарные материалы. Советский посол выдал визу представителю польского правительства для поездки в Москву с целью ведения соответствующих переговоров.

Пока шли бои на польской земле, бездействовали за «линией Мажино», как отмечал английский историк Дэвид Мэйсон, 76 англо-французских дивизий (из них 4 английские), не смея предпринять наступление в тылы Германии, чтобы открыть второй фронт. Им противостоял немецкий заслон из 32 второсортных немецких дивизий с недостаточно обученным личным составом. У немцев не было здесь, как позднее утверждал немецкий генерал Зигфрид Вестфаль, ни одного танка и резервов, а боеприпасов имелось лишь на три дня боев. Против французов и англичан немцы имели всего несколько разведывательных самолетов и устаревших истребителей. Между тем в сентябре 1939 года союзники могли использовать против Германии почти 3 тысячи современных боевых самолетов. Все свои хорошо подготовленные войска немцы направили против Польши.

Военное руководство Третьего рейха панически боялось наступления англо-французских войск, имевших возможность нанести поражение немецким войскам с тыла. Бездействие союзников предрешило исход войны. В начале сентября со стороны Франции было несколько атак, но они не имели продолжения. Бездействие французских вооруженных сил, самых сильных в Европе, и английских, обладавших мощным военным флотом и авиацией, обеспечило вермахту превосходство над польской армией, особенно в танках и авиации. Англия и Франция отказались от активных боевых действий и перешли к «странной войне».

Пока обманутые поляки истекали кровью, английская авиация совершала «рейды правды». В первую ночь после объявления войны английские самолеты сбросили на Германию вместо бомб 6 миллионов экземпляров «Письма к немецкому народу» весом более 6 тонн. Совершались такие полеты почти каждую ночь. К 27 сентября, по данным английского министерства авиации, на германский рейх обрушились 18 миллионов листовок. Так на все пять лет войны были обеспечены потребности Германии в туалетной бумаге.

16 сентября немецкие войска замкнули кольцо окружения основных сил польской армии восточнее Варшавы и вышли на линию Львов, Владимир-Волынский, Брест, Белосток. Гражданское и военное руководство Польши, в их числе президент Игнаци Мосьцицкий, правительство и главнокомандующий Эдвард Рыдз-Смиглы, покинули страну и выехали в Румынию, где были интернированы.

Эти обстоятельства заставили советское правительство отказаться от нейтралитета в войне, о чем 17 сентября было заявлено польскому послу в Москве. Советское правительство исходило из того, что Польское государство и его правительство практически перестали существовать. Вследствие этого прекратилось действие договоров, заключенных Советским Союзом с Польшей. Советское правительство не могло безразлично относиться к тому, что украинцы и белорусы, проживающие в Польше, остались беззащитными. Красная армия получила приказ перейти границу и взять под свою защиту жизнь и имущество населения Западной Украины и Западной Белоруссии. 17 сентября началось продвижение советских войск в Польшу.