Южнее 3-й армии на фронте от Бегомля до Ивенец развертывались войска 11-й армии, имевшие задачу к исходу 17 сентября занять Молодечно, Воложин, на следующий день - Ошмяны, Ивье и двигаться далее на Гродно. Перейдя в 5 часов 17 сентября границу, 6-я танковая бригада в 12 часов заняла Воложин, соединения 16-го стрелкового корпуса в это же время вошли в Красное, а к 19 часов достигли Молодечно, Бензовец. Соединения 3-го кавкорпуса уже к 15 часам достигли района Рачинеты, Порыче, Маршалки, а с утра 18 сентября двинулись дальше в сторону Лиды, выйдя к 10 часам на фронт Рыновиче, Постоянцы, Войштовиче. В это время 3-му кавкорпусу и 6-й танковой бригаде была поставлена задача наступать на Вильно, который приказывалось занять 19 сентября. В 11.30 кавалерия двинулась к Ошмянам, которые были без боя заняты в 14 часов. Узнав от местного населения, что впереди движется польский обоз с политзаключенными, части 8-го танкового полка выступлии в погоню и в районе Юришаны взяли в плен около 150 польских военнослужащих. К исходу 18 сентября соединения кавкорпуса достигли района Ошмяны Курмеляны. Будучи вынужденным дать отдых лошадям, командир 3-го кавкорпуса создал из 7-го и 8-го танковых полков кавдивизий сводную танковую бригаду под командованием полковника Мирошникова, которая продолжила наступление на Вильно.
В это время в Вильно находились лишь незначительные польские части: около 16 батальонов пехоты (примерно 7 тыс. солдат и 14 тыс. ополченцев) с 14 легкими орудиями. Однако общего отношения к вторжению большевиков у польского командования в Вильно не было. В 9 часов 18 сентября командующий гарнизона полковник Я. Окулич-Козарин отдал приказ: "Мы не находимся с большевиками в состоянии войны, части по дополнительному приказу оставят Вильно и перейдут литовскую границу; небоевые части могут начать оставление города, боевые - остаются на позициях, но не могут стрелять без приказа". Однако поскольку часть офицеров восприняла этот приказ как измену, а в городе распространились слухи о перевороте в Германии и объявлении ей войны Румынией и Венгрией, полковник Окулич-Козарин около 16.30 решил воздержаться от отдачи приказа на отступление до 20 часов.
Около 19.10 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-Козарин отдал приказ об открытии огня, пока этот приказ был передан войскам, 8 танков уже миновали первую линию обороны и для борьбы с ними были направлены резервные части. Около 20 часов Окулич-Козарин отдал приказ на отход войск из города и выслал подполковника Т. Подвысоцкого в расположение советских войск с тем, чтобы уведомить их, что польская сторона не хочет с ними сражаться и потребовать их ухода из города. После этого сам Окулич-Козарин уехал из Вильно, а вернувшийся около 21 часа Подвысоцкий решил защищать город и около 21.45 издал приказ о приостановке отхода войск. В это время в городе шли некоординированные бои, в которых большую роль играла виленская польская молодежь. Учитель Г. Осиньский организовал из учащихся гимназий добровольческие команды, занявшие позиции на возвышенностях. Стреляли самые старшие, остальные доставляли боеприпасы, огранизовывали связь и т.п.
Подойдя около 19.30 18 сентября к Вильно 8-й и 7-й танковые полки завязали бой за южную часть города. 8-й танковый полк ворвался в 20.30 в южную часть города. 7-й танковый полк, натолкнувшийся на упорную оборону, только с рассветом смог войти в юго-западную часть города. Тем временем 6-я танковая бригада, форсировав р. Березина, прошла Гольшаны и в 20 часов 18 сентября достигла южной окраины Вильно, установив связь с подразделениями 8-го танкового полка. Используя орудия, расположенные на горе Трех Крестов, польская молодежь артиллерийским огнем обстреляла наступающие танки. Для поражения танков в городе широко использовались бутылки со смесью бензина и нефти. Один советский танк был сожжен на Завальней улице. В танке погибли механик-водитель Шенкунос и башенный стрелок Кульков, а командир эскадрона старший лейтенант Бодыль был ранен, но сумел отползти от танка и, сняв фуражку, с наганом в руке стал пробираться к своим. Позднее его, потерявшего сознание, случайно подобрали танкисты экипажа младшего командира Куликова. Выяснив, что значительная часть регулярных войск и штабов уже покинула город, Подвысоцкий был вынужден около 22.30 принять решения об оставлении Вильно и отходе к литовской границе. Ночью противник стал отходить за р. Вилия.
В 5 часов передовой отряд группы Ломако достиг Зеленого моста, где завязалась перестрелка. В 5.45 туда же подошли танки 8-го танкового полка. В течение двух часов возле Зеленого моста шел бой, завершившийся его захватом в 8.50. В ходе боя было уничтожено 3 противотанковых орудия и 5 станковых пулеметов. Стремясь сжечь Зеленый мост, поляки поставили на нем и подожгли машину с бочкой бензина, но танк под командованием Дьячека сбил машину с моста, пожар был потушен, и войска переправились в северную часть города. Тем временем Ломако решил основными силами обойти город с севера и отрезать его от литовской границы. К 8 часам 19 сентября подошли части 3-го кавкорпуса. 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. Тем временем 7-я кавдивизия обходила город с запада. В 10 часов была захвачена товарная станция, где находилось 3 эшелона с боеприпасами и военным снаряжением. В 12.45 было захвачено жандармское управление, к которому подъехал танк под командованием Щечка. Направив пушку и пулемет в окно, командир танка вместе с рабочими направился в здание. Часть полицейских, увидев танк, разбежалась, а остальные сдались и даже помогали выносить из здания оружие.
В 13 часов был занят вокзал. В 16 часов вновь возникла перестрелка у Зеленого моста, в ходе которой были подбиты одна бронемашина и танк. В 11.30 подошла мотогруппа 3-й армии, и приказом Ахлюстина Ломако был назначен комендантом города. К 18 часам сопротивление было сломлено и к вечеру 19 сентября обстановка в городе нормализовалсь, но отдельные перестрелки возникали вплоть до 2 часов ночи 20 сентября. 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 были взяты в плен около 10 тыс. человек, трофеями советских войск стали 97 паровозов, 473 пассажирских и 960 товарных вагонов (из них 83 с продовольствием, 172 с овсом, 6 с боеприпасами, 9 цистерн с бензином и 2 со спиртом).
В 3.40 19 сентября 3-я армия получила приказ организовать охрану латвийской и литовской границ. Однако до подхода стрелковых частей для охраны границ можно было использовать разъезды и мотогруппы из состава 36-й и 24-й кавдивизии, 6-й, 22-й и 25-й танковых бригад. В 22.30 21 сентября 144-й кавполк 36-й кавдивизии, вышедший в районе Мейшагола к литовской границе, рассеял мелкие группки поляков. При приближении разъездов кавдивизии к границе литовские пограничники выбросили белый флаг и заявили: "Мы с вами воевать не хотим, мы держим нейтралитет". Лишь 23-25 сентября подошедшие стрелковые дивизии 3-й армии смогли реально организовать охрану границ.
Пока в районе Вильно происходили все эти бурные события, 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 19 сентября из танковых батальонов 100-й и 2-й стрелковых дивизий и бронероты разведбатальона 2-й дивизии была сформирована моторизованная группа 16-го стрелкового корпуса под командованием комбрига Розанова, которая выступила в направлении Лиды. В районе фольварка Бердовка мотогруппа взяла в плен около 300 польских солдат с кассой в 22 тыс. злотых. В 23 часа группа вступила в Лиду, уже занятую 152-м кавполком 6-го кавкорпуса, где смогла заправиться местным горючим. В 7 часов 20 сентября ей была поставлена задача наступать на Гродно. Продвигаясь к городу, мотогруппа у Скиделя столкнулась с польским отрядом (около 200 человек), подавлявшим антипольское выступление местного населения. В этом карательном рейде были убиты 17 местных жителей, из них 2 подростка 13 и 16 лет. Развернувшись, мотогруппа атаковала противника в Скиделе с обоих флангов. Надеясь остановить танки, поляки подожгли мост, но советские танкисты направили машины через огонь и успели проскочить по горящему мосту, рухнувшему после прохода танков, на другой берег реки Скидель. Южнее плавающие танки самостоятельно форсировали реку. Однако окруженный противник отчаянно сопротивлялся в течение полутора часов и бой завершился лишь к 18 часам. Под конец сражения определенную помощь танкисты получили от вооруженных местных жителей. Группа потеряла 1 бойца раненым, 1 бронемашина была подбита, 1 танк поврежден. Тем временем главные силы 16-го стрелкового корпуса продвигались на запад и к исходу 22 сентября достигли линии Радунь - Лида679 .
