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.

Вооруженные силы Польши потерпели полное поражение. Они потеряли 66,3 тысячи убитыми, 133,7 тысяч ранеными, около 420 тысяч попали в плен. Военно-техническое превосходство обусловило незначительные потери гитлеровской армии, составившие 10,6 тысячи убитыми, 30,3 тысячи ранеными, 3,4 тысячи пропавшими без вести. 240 тысяч польских военнослужащих были интернированы Красной армией, около 90 тысяч ушли в нейтральные страны.

Польский народ стал очередной жертвой «нового порядка». Были объявлены «немецкими землями» и присоединены к Германии Познанское, Поморское, Силезское, Лодзинское, часть Келецкого и Варшавского воеводств с населением около 9,5 миллиона человек. Здесь сразу после оккупации в отношении польских граждан начался террор. Поляков лишали собственности, выселяли из домов, отправляли в концентрационные лагеря, на принудительные работы в Германию, депортировали в районы, не включенные в рейх. На их место селили немцев из Германии и репатриантов из Прибалтики и Украины.