18. septembra vakarā vācu un krievu spēki bija pilnīgā ielenkuši Ļvovu un sāka rūpīgu tās spēku izlūkošanu. Krievu karaspēks, zinādams, ka poļi joprojām naivi tic krievu neitralitātei un viņiem neuzbrūk, centās ar nelieliem spēkiem iekļūt pilsētā, lai ieņemtu stratēģiski svarīgākos punktus, taču poļi to nepieļāva.

19. septembrī krievi mēģināja pierunāt poļu garnizonu nodot pilsētu PSRS spēkiem, melīgi apgalvojot, ka ieradušies kopā ar poļiem aizsargāt pilsētu no vāciešiem. Taču poļu garnizonam nebija tādu pilnvaru, un pārrunas tika atliktas. Caur kādu dzelzceļa līniju, kuru vēl kontrolēja poļi, pilsētā tika ievesti vairāki tūkstoši vieglo ieroču, tai skaitā 3 (!) lielgabali. Poļu spēki bija saņēmuši pietiekami daudz informācijas, lai saprastu, ka krievu un vācieši darbojas saskaņoti.

20. septembrī poļu spēku ģenerālis Sikorskis pavēlēja gatavoties aplenkumam un aizsardzībai. Gan vācu, gan krievu spēki gatavojās ģenerāluzbrukumam, kurš bija saskaņots uz 21. septembra rītu (lai piespiestu poļus padoties krieviem, kuriem Ļvova "pienācās", vāciešiem bija jāuzsāk uzbrukums pirmajiem). Vienlaikus krievu spēki vairākkārt ar nelieliem spēkiem uzsāka apšaudi ar mērķi gan izzināt pozīcijas, gan cerot iekļūt piepilsētās. Turpinājās arī pārrunas.

21. septembrī vācu komandieris Langners secināja, ka pilsēta kā uzbrukuma mērķis vāciešiem zaudējusi nozīmi; turklāt, pēc Molotova Ribentropa pakta tā pienācās PSRS.  Zinot, ka poļu spēki, lai arī ir pilnībā aplenkti, ir gatavi cīnīties, un tas varētu nest ievērojamus zaudējumus, vācieši nolēma uzbrukumus Ļvovai pārtraukt. Vēl vairāk,- vācieši tās pašas dienas vakarā nolēma savas ieņemtās pozīcijas atdot krieviem, lai tie varētu uzbrukt efektīvāk. Lai poļi nevarētu izlauzties no pilsētas, abi agresori uzsāka kopēju patrulēšanu.

Redzot situācijas bezcerīgumu, jo pilsēta bija pilnībā aplenkta un izlauzties poļu spēki varētu tikai viena vai otra ienaidnieka pilnīgi kontrolētā teritorijā, 22. septembrī poļi padevās un nodeva Ļvovu Sarkanai armijai pret vairākiem nosacījumiem- poļu karavīru un virsnieku tai skaitā tiesībām brīvi pārvietoties. PSRS parakstīja visus poļu nosacījumus bez iebildēm.

Aresti sākās nākošā dienā.

Līdz abu sabiedroto - Vācijas - PSRS līguma laušanai 1941.g.21. jūnijam krievi no okupētās Austrumpolijas izsūtīja līdz 2,000,000 poļu.

Arestētos poļu virsniekus- vairāk kā 20,000, kuri bija sagūstīti - krievi nogalināja jau pirms kara sākuma - 1940. gadā- Katiņā u.c.