Так і не дочекавшись повідомлень про падіння Варшави чи про втечу польського уряду за кордон, Сталін віддає наказ розпочати воєнні дії проти Польщі. 17 вересня 1939 р. радянські війська перейшли польський кордон. У ноті, врученій напередодні польському послу в Москві В. Гжибовському, було вказано на дві причини збройної акції СРСР проти Польщі: 1. «Віддана сама на себе і залишена без керівництва, Польща перетворилася у зручне поле для усяких випадковостей і несподіванок, які можуть створити загрозу для СРСР». 2. «Радянський уряд не може також байдуже ставитися до того, що єдинокровні українці та білоруси, які проживають на території Польщі, кинуті напризволяще, залишилися беззахисними». Спочатку планувалося зазначити, що останнім загрожує Німеччина, але під тиском Берліна це формулювання було вилучено з остаточного варіанту.
До складу Українського фронту, який вів бойові дії проти Польщі, входило 28 стрілецьких і 7 кавалерійських дивізій, 10 танкових бригад, 7 артилерійських полків Резерву головного командування. Війська, що перебували в розпорядженні командуючого фронтом С. Тимошенка (начальник штабу М. Ватутін), вели наступ трьома напрямками: 1) на Рівне—Луцьк—Ковель; 2) на Тернопіль—Львів—Перемишль; 3) на Стрий—Дрогобич. Вже протягом першого дня воєнних дій радянські війська просунулися на захід на 70—100 км, зайнявши Рівне, Дубно, Збараж, Тернопіль, Чортків. Йдучи швидким темпом і маючи наказ «не допускати прямих фронтових дій, діяти шляхом обходу з флангів, оточення і розкладу польської армії», Червона армія все ж не встигала зайняти до приходу німців усі території, що входили до радянської «сфери інтересів». Так, зокрема, сталося з Дрогобичем, Стриєм та іншими населеними пунктами та територіями, які були зайняті німцями вже 17—18 вересня. Логічно постало питання розмежування. 22 вересня К. Ворошилов і військовий аташе Німеччини в Москві Кьостріг узгодили демаркаційну лінію для військ двох сторін, що відповідала умовам таємного протоколу від 23 серпня. Внаслідок цього німецькі війська мусили залишити землі між Пугом і Віслою.
Під час розмежування між радянськими і німецькими військами сутичок майже не було. Однак сталося збройне зіткнення поблизу містечка Винники (у районі Львова), внаслідок якого були жертви з обох сторін. Характерно, що після цього інциденту командування німецького гірськострілецького полку, який брав участь у сутичці, попросило пробачення. На цьому етапі війни Гітлер сваритися зі Сталіним не хотів.
28 вересня 1939 р. був підписаний радянсько-німецький договір про дружбу і кордони. Згідно з домовленістю кордон пройшов по «лінії Керзона». Переважна більшість території Західної України увійшла в межі СРСР. Проте, бажаючи домогтися контролю над Литвою, Сталін не наполягав на приєднанні до УРСР Лемківщини, Посяння, Холмщини і Підляшшя. Тому ці українські етнічні території (майже 16 тис. км2 з 1,2 млн. населення) опинилися під німецькою окупацією. Та Сталін був задоволений, про що свідчить його «тріумфальний» підпис (довжиною 58 сантиметрів) на карті-додатку до тексту протоколу.
Радянсько-німецьке співробітництво, розпочате договором про ненапад, Гітлер дуже влучно назвав «шлюбом за розрахунком». Є серйозні підстави вважати, що таким воно було і для радянського керівництва, оскільки принципові моменти процесу «збирання» українських земель під крило СРСР вирішувалися саме на німецько-радянській дипломатичній кухні. 23 червня 1940 р., на другий день після офіційної капітуляції Франції і підписання перемир'я у Комп'єні, Молотов у зверненні до німецької сторони зазначив, що «вирішення бессарабського питання не терпить більше зволікань», піднімав він також питання і про Буковину.
Серйозність намірів радянського керівництва була підтверджена 26 червня 1940 р. заявою до уряду Румунії про необхідність мирного вирішення питання про повернення Радянському Союзу Бессарабії, а також про передачу йому Північної Буковини, населеної переважно українцями. Вимога передачі цієї території СРСР обґрунтовувалася також тим, що ще в листопаді 1918 р. народне міме Буковини прийняло рішення щодо возз'єднання з Радянською Україною.
Німеччина, побоюючись того, що в разі виникнення радянсько-румунського збройного конфлікту вона може позбутися румунських поставок продовольства, фуражу і особливо нафти, порадила уряду Румунії піти на поступку. При цьому Берлін запевнив, що ця «поступка» буде мати тимчасовий характер (як сказав Гітлер: «Віддайте, я скоро поверну!»), і що Німеччина допоможе не тільки повернути втрачену територію, а й завоювати нові. Пізніше Антонеску визнавав, що в розмові з ним Гітлер запевняв: за «допомогу у війні Румунія зможе окупувати радянську територію аж до Дніпра».
28 червня 1940 р. румунський уряд заявив про свою згоду передати Радянському Союзу Бессарабію і Північну Буковину. І вже 2 серпня 1940 р. Верховна Рада СРСР вирішила включити Північну Буковину і Південну Бессарабію до складу УРСР, а з решти Бессарабії і колишньої Молдавської Автономної РСР 15 серпня 1940 р. створено Молдавську РСР. Ще раніше, 1939 р. рішення Установчих Народних зборів Західної України про возз'єднання Західної України з УРСР було затверджене Верховними Радами СРСР (1 листопада) і УРСР (14 листопада). Завдяки цьому населення України збільшилося на 8809 тис. осіб і на середину 1941 р. становило 41 657 тис., а територія розширилася до 565 тис. км2. Процес консолідації української нації вступав у завершальний етап. Однак досі серед істориків немає єдності в оцінці суті та характеру цього процесу, і тому різні дослідники по-різному називають сам факт входження українських земель до складу УРСР напередодні Другої світової війни: «анексія» (Д. Боффа), «включення» (Н. Верт), «формальне інкорпорування, назване «возз'єднанням» (А. Жуковський, О. Субтельний), «возз'єднання, що носило характер акції окупаційного типу» (С. Кульчицький).
Безперечно, що процес, завдяки якому західноукраїнські землі опинилися в складі УРСР не одномірний, а навпаки — багатоплановий. При його розгляді та аналізі слід мати на увазі той факт, що хоча було здійснено етнічне возз'єднання і західноукраїнські землі формально увійшли до складу УРСР, на практиці відбулася інкорпорація, тобто «входження до складу» СРСР. Передування рішення Верховної Ради Радянського Союзу про возз'єднання аналогічному рішенню Верховної Ради України підтверджує цю думку. Тому розбіжності в термінології та оцінках, очевидно, зумовлені різними підходами дослідників до вирішення принципово важливої проблеми: у складі якої держави — України чи Радянського Союзу — фактично опинилися західноукраїнські землі?
Модель суспільно-економічних перетворень у новостворених західних областях України була майже однаковою. Її суттю була активна радянізація. У цілому зміни, що відбувалися, мали суперечливий характер. З одного боку, експропріація маєтків польських землевласників, перерозподіл їхньої землі між українськими селянами; українізація системи народної освіти, державних установ, судочинства; поліпшення медичного обслуговування, особливо на селі; націоналізація промислових підприємств; ліквідація безробіття та ін. З іншого — руйнація політичної та культурної інфраструктури, створеної місцевою українською інтелігенцією (перестали функціонувати всі колишні українські партії, а також культурні установи, зокрема, «Просвіта», Наукове товариство імені Шевченка тощо); насильницька колективізація; антицерковні акції; репресії проти «буржуазних спеціалістів»; масові депортації населення (із Західної України і Західної Білорусії було депортовано 318 тис. сімей, що становило майже 10% населення).
Однак, попри всю неоднозначність політики сталінського режиму в західноукраїнських землях, більшість істориків дійшли висновку, що возз'єднання українців у межах однієї державної структури вперше за багато століть було надзвичайно визначною подією, важливим кроком у розв'язанні українського питання. «Об'єднання всіх українських етнічних територій мало глибокий психологічний і культурний вплив на розділених до того часу українців, — підкреслює канадський історик українського походження О. Герус. — Інтеграція й асиміляція західних українців у радянську систему з їхньою відмінною політичною, культурною та релігійною спадщиною виявилася, всупереч волі режиму, процесом двобічним. У той час, як західні українці піддавалися систематичній комунізації, східні, або радянські українці відкривали ідеали й цінності своїх західних співвітчизників».
Між тим «медовий місяць» радянсько-німецького «шлюбу за розрахунком» підходив до кінця. 18 грудня 1040 р. Гітлер підписує директиву № 21 (план «Барбаросса») — план нападу на СРСР, основна ідея якого була висловлена ще п'ятнадцять років тому в «Майн кампф»: «Коли ми говоримо сьогодні про придбання нових земель і нового простору в Європі, то насамперед думаємо про Росію та про підкорені їй окраїнні держави... Ця колосальна імперія на Сході дозріла для її ліквідації».
Отже, наприкінці 30-х — на початку 40-х років було здійснено етнічне возз'єднання. Західноукраїнські землі формально увійшли до складу УРСР, на практиці відбулася інкорпорація цих територій, тобто їх «входження» до складу СРСР. Об'єднання вперше за багато століть у межах однієї держави більшості українських етнічних територій, незважаючи на неоднозначність і суперечливість політики сталінського режиму в західноукраїнських землях, було визначною подією, важливим кроком у розв'язанні українського питання.