Поздним вечером, когда огонь немецкой артиллерии стал менее интенсивным, из крепости через Тереспольские ворота вышли командование и штаб обороны, маршевые батальоны 34-го и 35-го полков, караульные батальоны, артиллеристы, обоз и машины с ранеными. С наступлением ночи дорога на Тересполь была запружена отступающими польскими частями. Прикрывать отход остались солдаты 82-го маршевого батальона и 2-я рота саперов. Саперы должны были оставить позиции последними, уничтожив за собой мосты и заминировав дорогу.
Немцы в ночь с 16 на 17 сентября перебросили на левый берег Буга 76-й пехотный полк 20-й мотодивизии под командованием полковника Голлника, планируя наступление с западного направления. В темноте на тереспольском шоссе произошло несколько стычек польского арьергарда с передовыми немецкими патрулями.
Саперы 2-й роты продолжали ожидать в Цитадели подразделения 82-го маршевого батальона. В Кобринском укреплении гремел бой. Связные, посланные к капитану Радзишевскому с приказом отходить, не вернулись. Позднее выяснилось, что командир заявил подчиненным, что разрешает им отступить, но сам будет сражаться до конца. Солдаты решили остаться вместе с ним. Около полуночи саперы при свете ракет увидели танки и пехоту, которые двигались с севера к Цитадели. Одновременно пришло известие, что дорога на Тересполь захвачена противником. Так и не выполнив задание, небольшой отряд саперов через Холмские ворота просочился на Южный остров, а затем благополучно вышел в окрестности Страдичей.
В первой половине дня 17 сентября через Западный остров в Цитадель по неразрушенному мосту у Тереспольских ворот ворвался 76-й пехотный полк немцев. Со стороны города в крепость вошли подразделения 20-й моторизованной дивизии. Потери обеих сторон в этом сражении неизвестны. В плен в районе Брестской крепости попали 988 польских солдат и офицеров, в основном раненые. Много тяжелораненых и контуженых пришлось оставить в госпитале. С ними до конца были врачи-офицеры, санитары и медсестры под руководством капитана Феликса Драгана. Часть защитников заблудилась во время марша на Тересполь и, наткнувшись на противника, была взята в плен. Однако большинство польских подразделений прибыли в назначенное место сбора в район Коденя. Около 2000 польских солдат и офицеров группировки «Брест» под командованием подполковника Хорака продолжали борьбу на Люблинщине до 1 октября.
В Полесье были развернуты войска 23-го стрелкового корпуса (52-я стрелковая дивизия и корабли Днепровской флотилии) комдива С.Д. Акимова, которым было запрещено переходить границу до особого распоряжения. Корпус присоединился к Освободительному походу лишь вечером 18 сентября, нанося удар во фланг и тыл оперативной группе «Полесье» генерала Клебэрга (впрочем, о ее наличии советское командование не имело понятия). В состав группы входили пехотная дивизия «Кобрин» (семь батальонов пехоты, два гаубичных дивизиона), Подлясская кавалерийская бригада и Пинская речная флотилия, насчитывавшая 102 боевые и вспомогательные единицы. Главной ударной силой флотилии были четыре монитора типа «Варшава» и два монитора типа «Краков».
Возле самой советской границы, в Давид-Городке, с 15 сентября размещалась эвакуированная из Варшавы штаб-квартира Корпуса пограничной охраны под руководством генерала Вильгельма Орлика-Рюкеманна, которому номинально подчинялись все польские пограничные части. Однако реально генерал имел связь только с бригадой КОР «Полесье», батальоном КОР «Клецк» и полком КОР «Сарны».
17 сентября около 5 часов утра командование КОР получило сообщение, что советские войска перешли границу и напали на пограничные заставы. «Не только с момента объявления всеобщей мобилизации, но и до конца войны руководство КОР не получило ни одной директивы или приказа, что нам делать – на случай войны с Германией либо войны на два фронта», – указывал в донесении Рюкеманн. Все это время Корпус погранстражи играл лишь роль резерва живой силы для формирования армейских соединений.
Тем не менее на запросы командиров генерал без колебаний отдал приказ об организации обороны и оказании сопротивления противнику, хотя он отлично понимал, что пограничная стража слишком слаба, чтобы сдержать натиск Красной Армии. Командующий рассчитывал дать хоть какое-то время для подготовки к боевым действиям с новым врагом частям Войска Польского, размещавшимся в Полесье. Однако связаться с генералом Клебэргом ему не удалось. Между тем в штаб оперативной группы «Полесье» весть о советском вторжении пришла от командира бригады КОР подполковника Ружицкого-Колодейчика. Генерал Клебэрг, также осознавая слабость и малочисленность пограничных частей, отдал приказ сопротивляться как можно дольше, а в случае неудачи отходить на запад. Из-за отсутствия связи между двумя довольно многочисленными польскими группировками – КОР, насчитывавшей почти 7000 человек, и группой «Полесье» – они действовали независимо друг от друга.
Польские пограничники, несмотря на подавляющее превосходство в силах частей Красной Армии, оказали им упорное сопротивление. Так, батальон «Людвиково» под командованием капитана Анджея Шумлиньского численностью в 700 бойцов и командиров, из которых 100 вообще не имели оружия, вел бой до 15 часов и своих позиций не сдал, пока не получил приказ на отступление к Лунинцу. Его потери составили 8 человек убитыми, 9 ранеными, 7 попавшими в плен. К Лунинцу, на соединение с бригадой «Полесье», лесами отходил и батальон «Клецк». Части КОР были оттеснены в южном направлении, но не потеряли боеспособности и сдаваться не собирались.
Генерал Клебэрг решил обороняться вверенными ему силами до конца, развернув их на север и используя многочисленные естественные преграды. В ночь с 17 на 18 сентября он отдал общий приказ об обороне Полесья на линии Кобрин – Пинск – Лунинец.
Весь день 18 сентября левое крыло дивизии «Кобрин» под командованием полковника Адама Эплера, заняв позиции по берегу канала и реки Мухавец и взорвав мост, билось за родной город с частями 2-й моторизованной дивизии генерала Бадера.
Вечером последовал фланговый удар 23-го стрелкового корпуса Акимова, наступавшего с запада на восток по обоим берегам Припяти. Под натиском советской пехоты, поддержанной танками, батальон КОР «Сенкевичи» начал отход на Лунинец, а батальон «Давид-Городок» – на Столин. Штаб КОР переместился в Столин. Исходя из изменившейся оперативной обстановки, генерал Рюкеманн назначил район сосредоточения частей погранстражи: территорию между реками Припять и Стырь, возле деревни Морочно. Генерал Клебэрг отдал приказ командующему Пинской флотилией командору Витольду Зайончковскому приготовить к подрыву суда, заминировать мосты в Городище, Мостах, Волынске, Пинске, переправы на Королевском канале, а также приступить к эвакуации экипажей, военного снаряжения, средств связи, запасов продовольствия и горючего. Штаб оперативной группы «Полесье» перебрался в деревню Любейшов. Дивизия полковника Эплера, потеряв убитыми 127 человек, в 22 часа оставила Кобрин и отступила на юг.
Утром 19 сентября генерал Рюкеманн перенес свою штаб-квартиру из Столина в деревню Морочно и вместе со своим начальником штаба майором Гавроньским на автомобиле выехал в Любейшов, чтобы установить личный контакт с генералом Клебэргом и скоординировать действия обеих группировок. Только к этому времени штаб группы «Полесье» через Ковель получил «общую директиву» маршала Рыдз-Смиглы, согласно которой, избегая боев с Красной Армией, следовало пробиваться в юго-западном направлении, в Румынию или Венгрию. На взлетном поле возле Пинска базировались три бомбардировщика типа «Лось». Командир эскадрильи предложил доставить Клебэрга и его штаб в Румынию. Получив отказ, авиаторы откланялись и улетели. Командующий принял решение сконцентрировать свою оперативную группу южнее Припяти, в районе Камень-Каширского, и отходить через Ковель и Луцк. Генерал Рюкеманн предложил выждать один-два дня, пока к Любейшову подтянутся части КОР, и объединить силы. Клебэрг ждать отказался и назначил местом встречи Ковель. На следующий день ОГ «Полесье» начала марш на юг.
В 11 часов 19 сентября части 52-й стрелковой дивизии полковника И.Н. Руссиянова заняли Лахву. Продвигаясь дальше, советские войска в Кожан-Городке были обстреляны отрядом погранстражи. Развернувшись, красноармейцы вступили в бой и вскоре оттеснили поляков в лес. В ходе стычки советские части потеряли 3 человека убитыми и 4 ранеными. В плен были взяты 85 польских военнослужащих. Около 17 часов 205-й стрелковый полк с 1-м дивизионом 158-го артполка занял Давид-Городок. В 19.30 советские части вошли в Лунинец. После этого дивизия получила новую задачу: продвигаясь вдоль течения Ясельды в направлении Пинска, захватить переправы через реку, а затем и сам город. Уже имея информацию о том, что польские части отходят на юг, Руссиянов сформировал моторизованный отряд под командованием начальника штаба дивизии полковника Кузьмина в составе одной стрелковой роты, двух батарей и дивизиона гаубичного артполка. Корабли Днепровской флотилии под командованием капитана 1 ранга Г. Чубунова дошли до устья реки Горынь и вынуждены были остановиться из-за чрезвычайно низкого уровня воды.
