К исходу 17 сентября 6-й кавкорпус форсировал р. Ушу. Отставание тылов и отсутствие серьезного сопротивления противника привели к тому, что было решено создать мотомеханизированные группы из танковых полков дивизий, чтобы ускорить продвижение. Передовой отряд 11-й кавдивизии в ночь на 18 сентября занял Новогрудок. В 3 часа 19 сентября мотоотряд под командованием командира корпуса комдива А.И. Еременко занял Волковыск. 19 сентября 152-й кавполк 6-й кавдивизии после короткого боя занял Лиду, где были взяты в плен 2 500 человек, трофеями советских войск стали 300 винтовок, 100 тыс. патронов, 23 самолета. 5-й стрелковый корпус в 5 часов 17 сентября перешел границу и, сломив слабое сопротивление, взял в плен 29 польских пограничников, потеряв 6 человек убитыми и 2 ранеными. К 17 часам соединения корпуса вышли на железнодорожную линию Столбцы — Барановичи, а к 23 часам Достигли р. Уша. В течение дня в корпусе были созданы подвижные отряды, продвинувшиеся до р. Сервечь. Мотогруппа 4-й стрелковой дивизии (101-й стрелковый полк) в 8 часов 19 сентября вошла в Слоним, приняв у танковых частей свыше 6 тыс. пленных. В 4 часа 20 сентября мотогруппа 119-го стрелкового полка вошла в Волковыск, где была подчинена 15-му танковому корпусу. В 3 км западнее города она столкнулась с двумя эскадронами поляков и, потеряв 1 убитым, взяла в плен 150 человек. 21 сентября основные силы 5-го стрелкового корпуса находились у Зельвы, а 119-й и 101-й полки были брошены на Гродно.

В Гродно находились незначительные силы польских войск: 2 импровизированных батальона и штурмовая рота запасного центра 29-й пехотной дивизии, 31-й караульный батальон, 5 взводов позиционной артиллерии (5 орудий), 2 зенитно-пулеметные роты, двухбатальонный отряд полковника Ж. Блюмского, батальон национальной обороны «Поcтавы», спешенный 32-й дивизион Подляской кавбригады, в городе было много жандармерии и полиции. Командующий округом «Гродно» полковник Б. Адамович был настроен на эвакуацию частей в Литву. В городе 18 сентября имели место беспорядки в связи с освобождением заключенных из городской тюрьмы и антипольским выступлением местных «красных» активистов. Советские войска ожидались с востока, но они подошли к городу с юга, что было выгодно оборонявшимся, поскольку правый берег Немана крутой.

Лишь по мере поступления горючего части 15-го танкового корпуса с 7 часов 20 сентября начали двигаться на Гродно своеобразными волнами. В 13 часов 50 танков 27-й танковой бригады подошли к южной окраине Гродно. Танкисты с ходу атаковали противника и к вечеру заняли южную часть города, выйдя на берег Немана. Нескольким танкам удалось по мосту прорваться на северный берег в центр города. Однако без поддержки пехоты танки подверглись нападению солдат, полицейских и молодежи, которые использовали немногочисленные орудия и бутылки с зажигательной смесью. В итоге часть танков была уничтожена, а часть — отведена обратно за Неман. 27-я танковая бригада при поддержке прибывшего с 18 часов 119-го стрелкового полка 13-й стрелковой дивизии заняла южную часть города. Группа младшего лейтенанта Шайхуддинова при помощи местных рабочих на лодках переправилась на правый берег Немана в 2 км восточнее города. На том берегу начались бои за кладбища, где были оборудованы пулеметные гнезда. В ходе ночного боя 119-му полку удалось закрепиться на правом берегу и выйти на подступы к восточной окраине города.

К утру 21 сентября подошел 101-й стрелковый полк, который также переправился на правый берег и развернулся севернее 119-го полка. С 6 часов 21 сентября полки, усиленные 4 орудиями и 2 танками, атаковали город и к 12 часам, несмотря на контратаки поляков, вышли на линию железной дороги, а к 14 часам достигли центра Гродно, но к вечеру были вновь отведены на окраину. В этих боях полки поддерживала моторизованная группа 16-го стрелкового корпуса, которая после ночевки на шоссе в нескольких километрах от Скиделя с рассветом 21 сентября двинулась к Гродно. Подойдя к городу, танки подавили огневые точки на его восточной окраине, чем оказали поддержку 119-му и 101-му стрелковым полкам. Атака города с востока прошла успешно, но после перехода через железнодорожную линию основные силы стрелковых подразделений вновь отошли на окраину. В итоге танки были вынуждены вести бой в одиночку. С помощью бутылок с горючей смесью был сожжен вместе с экипажем танк командира взвода младшего лейтенанта Алексанова и механика-водителя Комарова. Танк лейтенанта Мирского попал в засаду и был подожжен, но механик-водитель Корнийчук, направив машину на кусты и низкие деревья, смог сбить пламя. Уничтожив немало огневых точек противника, к вечеру танки тоже были выведены из города, в стратегических пунктах которого (почта, телеграф, электростанция и т. п.) были оставлены караулы.

Кроме того, на Гродно после дневки вечером 20 сентября была направлена 4-я кавдивизия. В 9 часов 21 сентября в Гродно подошла и 20-я мотобригада, а прибывший с мотоотрядом 6-го кавкорпуса (3 танка БТ—5 и 2 бронемашины) Еременко решил возглавить атаку моста. Сев в бронемашину, он двинулся во главе атакующих, но вражеский снаряд заклинил башню. Пересев в другую бронемашину, Еременко вновь возглавил атаку и прорвался на мост, где от перегрева у бронемашины заглох мотор. Открыв огонь из пушки по огневым точкам противника, бронемашина вызвала на себя сильный обстрел с того берега, повредивший башню. Наконец механику-водителю удалось завести мотор, и бронемашина тронулась по склону моста назад, но, проехав около 100 метров, мотор снова заглох, и далее бронемашину пришлось буксировать. Теперь Еременко пересел в танк БТ—7 и вновь ворвался на мост. Однако бетонные блоки являлись непроходимым препятствием для танка, и в течение двух с половиной часов он с места вел огонь по противоположному берегу.

Как вспоминал Еременко 30 лет спустя, «на мосту завязался бой с огневыми точками противника. С берега нас поддерживали еще 5 танков… Мы расстреляли весь боекомплект и уничтожили около 20 огневых точек противника. Мой танк тоже пострадал: получил три пробоины, более 20 больших вмятин. Были разбиты пулемет, оба прицела, радиатор, поврежден бензобак. Нас всех — [механика-]водителя[С. П. Елисеева], заряжающего[С. И. Новикова]и меня ранило. На последнем бензине задним ходом танк с трудом ушел в укрытие»[675] с наступлением темноты. Сам Еременко был легко ранен в нос и руку осколками брони. Среди оборонявших мост был командир 2-го эскадрона 101-го резервного уланского полка ротмистр К. Лопяновский, который из единственного противотанкового ружья, имевшегося в полку, повредил танк, двигавшийся по железнодорожному мосту через Неман.

В ходе боев 21 сентября 20-я мотобригада смогла занять юго-западную окраину города, но переправиться через Неман не сумела из-за сильного ружейно-пулеметного огня с противоположного берега. К вечеру к городу подошла 4-я кавдивизия и было решено с утра повторить атаку. Однако учитывая результаты боев, командующий обороной генерал бригады в отставке В. Я. Пшезьджецкий около 16 часов приказал отходить на север. В ночь на 22 сентября польские защитники Гродно покинули город, и утром он был занят советскими частями, которым бои за город обошлись в 57 убитых, 159 раненых, было подбито 19 танков и 4 бронемашины. На поле боя было захоронено 644 трупа, взято в плен 1 543 военнослужащих противника, советскими трофеями стали 514 винтовок, 50 револьверов, 146 пулеметов, 1 зенитное орудие, 1 миномет. Тем временем получив приказ о занятии Сокулки, но не имея горючего, 2-я танковая бригада была вынуждена создать отряд под командованием капитана Новикова в составе 43 танков, мотострелковой роты и взвода противотанковой артиллерии, которому было передано все наличное горючее. Выступив в 7 часов из Волковыска, отряд в 14 часов 20 сентября занял Сокулку, покинутую накануне германскими частями. 11-я кавдивизия и 5-й стрелковый корпус продвигались на запад и юго-запад от Волковыска.[676]