Южнее на фронте от Бегомля до Ивенец развернулись войска 11-й армии (16-й стрелковый и 3-й кавалерийский корпуса — 90 000 человек, 520 орудий и минометов, 265 танков). Ось наступления армии пролегала по маршруту: Ошмяны — Ивье — Лида — Гродно.
Перейдя границу, 6-я танковая бригада (248 танков БТ) к полудню заняла Воложин, соединения 16-го стрелкового корпуса (2-я и 100-я стрелковые дивизии) вошли в Красное, а к 19 часам достигли Молодечно, Бензовец. Части 3-го кавалерийского корпуса (7-я и 36-я кавалерийские дивизии) под командованием Я.Т. Черевиченко к 15 часам вышли в район Рачинеты, Порыче, Маршалки, а с утра 18 сентября двинулись в сторону Лиды. В это время кавалерийскому корпусу и 6-й танковой бригаде поступила задача повернуть на северо-запад и наступать на Вильно, 19 сентября занять город.
В 14 часов 36-я кавдивизия имени Сталина вошла в Ошмяны. К исходу дня конники Черевиченко заняли район Ошмяны — Курмеляны — Галыианы. Командир корпуса вынужден был дать отдых лошадям, а из 7-го и 8-го танковых полков своих дивизий создал сводную танковую бригаду под командованием полковника Мирошникова, которая продолжила движение к Вильно.
Польские силы в Вильно, насчитывали около 16 батальонов пехоты — примернр 7 тысяч солдат и 14 тысяч частично вооруженных ополченцев. Из артиллерийского вооружения имелись 14 легких орудий, в том числе 8 противотанковых, с боезапасом по 20 снарядов на ствол. Кроме того, от Волковыска на Вильно, с твердым намерением принять участие в защйте города, следовала группа под командованием генерала бригады Вацлава Пшезьджецкого в составе четырех полков Резервной кавалерийской бригады, нескольких зенитных расчетов и остатков танкового дивизиона Подляской кавалерийской бригады. Однако планы обороны Вильно просуществовали недолго.
Утром 18 сентября командующий гарнизоном полковник Ярослав Окулич-Козарин отдал приказ: «Мы не находимся в состоянии войны с большевиками, польские части по дополнительному распоряжению оставят Вильно и перейдут литовскую границу; небоевые подразделения могут начать оставление города, боевые — остаются на позициях, но не должны открывать огонь без приказа». Это вызвало возмущение у населения, особенно польской молодежи, и части офицерства, воспринявших приказ как измену. Они обратились к командиру оборонительного района подполковнику Подвысоцкому, выразив готовность принять участие в защите Вильно. Однако получили ответ, что, согласно директиве верховного командования, войска и желающие присоединиться к ним добровольцы, не принимая боя, должны эвакуироваться в Литву, где будут разоружены и интернированы. Население пришло в отчаяние, несколько офицеров застрелились, сотни охотников требовали выдать им оружие. Еще больше обстановку накалила передача местного радио о начавшейся революции в Германии, объявлении ей войны Румынией и Венгрией и отступлении советских войск к восточной границе. Командующий решил отложить ретираду до 20 часов.
За час до установленного срока командир 2-го батальона, развернутого на южной и юго-западной окраине города, подполковник С. Шилейко доложил о появлении советских танков и запросил, может ли он открыть огонь. Пока Окулич-Казарин отдал приказ об открытии огня, пока он был передан войскам, 8 танков уже миновали первую линию обороны, и для борьбы с ними были направлены резервные части. Около 20 часов польский командующий отдал приказ на отход своих войск, выслал подполковника Подвысоцкого к советскому командованию с целью уведомить его, что польская сторона не будет сражаться, а сам убыл из Вильно.
В это время в городе уже шли бои.
«Пропаганда Рыдз-Смиглы в Войске Польском «трубила» о том, что советские танки Т-26 фанерные, — рассказывал бывший красноармеец Самарской дивизии И.С. Гриб. — Вот почему под Вильно польские уланы налетели на танк Т-26 с саблями и стали его рубить, однако после этого у них в руках остались только ручки от клинков — танк оказался бронированным». Впрочем, история эта больше похожа солдатскую байку. Основную роль в обороне играли не уланы и вообще не армия, а отдельные импровизированные группы офицеров вроде «Офицерской лиги» под командованием майора Оссовского и виленская польская молодежь. Так, преподаватель физической и начальной военной подготовки гимназии имени Мицкевича Обиньский организовал из учащихся добровольческие команды, занявшие позиции на возвышенностях. Мальчишки постарше стреляли в советских солдат, младшие «кибальчиши» подносили боеприпасы и медикаменты, вели наблюдение, передавали донесения. Один из очевидцев прямо писал: «Не капитулировала только польская молодежь». Со своим подразделением покидал Вильно офицер саперного батальона 6-го пехотного полка Завадский: «В центре гремели взрывы. Местами клубился тяжелый, черный, плотный дым. Советские танки входили в город. Наши малочисленные подразделения и молодежь оказывали такое безнадежное и трагическое сопротивление! Сражение шло в районе железнодорожного виадука на шоссе на Нововилейку и на Зеленом мосту. Мы, армия, более или менее организованная сила, оставили город без боя».
К 20.30 8-й танковый полк ворвался в южную часть города. 7-й полк, натолкнувшись на упорную оборону, безуспешно пытался пробиться в юго-западную часть Вильно. Тем временем, форсировав Березину, южной окраины достигла 6-я танковая бригада, установившая связь с подразделениями 8-го танкового полка. Польская молодежь, используя орудия, расположенные на горе Трех Крестов, встретила наступавшие танки артиллерийским огнем. Для поражения боевых машин на улицах города широко использовались бутылки со смесью бензина и нефти.
Около 22.30, выяснив, что значительная часть регулярных войск и штабов уже покинула город, подполковник Подвысоцкий вынужден был принять решение об оставлении Вильно и отходе к литовской границе. Ночью поляки стали отходить за реку Вилия.
В 5 часов 19 сентября от Свенцян вышла к Зеленому мосту разведывательная группа старшего лейтенанта Акулова из группы Ломако. Вскоре туда же подоспели машины 8-го танкового полка. В течение двух часов кипел бой возле Зеленого моста, завершившийся его захватом.
В ходе боя было уничтожено 3 противотанковых орудия и 5 станковых пулеметов. Стремясь уничтожить мост, поляки поставили на нем машину с бочкой бензина и подожгли ее. Но советский танк столкнул машину в реку, пожар удалось предотвратить, и советские войска переправились в северную часть города. Полковник Ломако тем временем решил основными силами обойти город с севера и отрезать его от литовской границы. К 8 часам 19 сентября подошли части 3-го кавалерийского корпуса. 102-й кавполк повел наступление на юго-восточную окраину, а 42-й кавполк двинулся в обход города с востока и сосредоточился на северо-восточной окраине. 7-я Самарская кавалерийская дивизия Ф.С. Комкова обходила город с запада. B I0 часов удалось взять товарную станцию, где находились три эшелона с боеприпасами и военным снаряжением. К полудню прибыла моторизованная группа Ахлюстина. В 13 часов были захвачены здание жандармского управления и железнодорожный вокзал. В 16 часов вновь возникла перестрелка у Зеленого моста, в ходе которой были подбиты одна бронемашина и танк. К 18 часам сопротивление было сломлено, хотя отдельные перестрелки продолжались и в ночь на 20 сентября. Комендантом «освобожденного» Красной Армией города стал полковник Ломако.
В боях за Вильно части 11-й армии потеряли 13 человек убитыми и 24 человека ранеными, было подбито 5 танков и 4 бронемашины. 20–23 сентября советские войска подтягивались к Вильно, занимаясь очисткой города и прилегающих районов от польских частей. Всего было взято в плен около 10 тысяч человек, трофеями стали 97 паровозов, 473 пассажирских и 960 товарных вагонов.
Генерал Пшезьджецкий, узнав, что польский гарнизон оборонять Вильно не собирается, повернул свой отряд на Гродно.
19 сентября 3-я армия получила приказ организовать охрану латвийской и литовской границ. Однако до подхода стрелковых частей для этой цели могли быть использованы лишь разъезды и подвижные группы из состава 36-й и 24-й кавалерийских дивизий и танковых бригад. Вечером 21 сентября 144-й кавполк 36-й кавдивизии, вышедший к литовской границе в районе Мейшагола, рассеял мелкие группы поляков. При приближении советских разъездов литовские пограничники выбросили белый флаг и заявили: «Мы с вами воевать не хотим, мы держим нейтралитет». Лишь 23–25 сентября подошедшие стрелковые части смогли реально организовать охрану границ.
Пока шли бои в районе Вильно, войска 16-го стрелкового корпуса 11-й армии были повернуты на северо-запад и двинулись к Лиде. В 18 часов 18 сентября передовые части 100-й стрелковой дивизии заняли Крево. С утра следующего дня из танковых батальонов 100-й и 2-й стрелковых дивизий и бронероты
