Sau cuộc tấn công, lãnh thổ Ba Lan bị phân chia giữa Đức Quốc xã, Liên Xô, Litva và Slovakia. Phần phía tây Ba Lan do 1 toàn quyền người Đức cai trị. Ngày 28 tháng 9 1939, tại Moskva đã diễn ra lễ ký kết hiệp ước thiết lập đường biên giới giữa Liên Xô và Đức. Theo hiệp ước này, phần lãnh thổ phía đông Ba Lan với diện tích 200.280 km² (những vùng mà Ba Lan chiếm của Nga năm 1921) sẽ được trao trả lại cho Liên Xô. Ngoài ra, 2 nước này còn tiếp tục thỏa thuận với nhau về việc phân chia khu vực ảnh hưởng ở Litva. Ngày 1 và 2 tháng 11 năm 1939, Xô viết tối cao Liên Xô đã chấp nhận đề nghị của Hội nghị Nhân dân Tây Ukraine và Hội nghị Nhân dân Tây Belarus về việc sáp nhập vùng tây Ukraine và tây Belarus thuộc miền đông Ba Lan vào nước Cộng hòa Xô viết Ukraine và Cộng hòa xôviết Belarus thuộc Liên Xô.[60].

Mặc dù khu vực ảnh hưởng của Nga và Đức bị ngăn cách bởi một dòng sông nhưng Hồng quân và lính Đức vẫn gặp nhau trong nhiều trường hợp. Một trong những sự kiện được nhắc đến nhiều nhất là sự kiện ngày 22 tháng 9 tại Brest-Litovsk. Quân đoàn thiết giáp Panzer số 19 dưới quyền chỉ huy của Heinz Guderian đã chiếm thành phố này mặc dù nó thuộc về vùng ảnh hưởng của Liên Xô. Do đó khi lữ đoàn thiết giáp 29 Liên Xô do Semyon Krivoshein tiến đến, 2 bên đã dàn xếp để quân Đức rút lui và Hồng quân tiến vào. 2 đội quân này trong lúc gặp nhau đã giơ tay chào lẫn nhau.[61] Tại đây, các sĩ quan Đức và Liên Xô còn cùng nhau tổ chức 1 cuộc duyệt binh mừng chiến thắng trước khi quân Đức rút lui.[8] Tuy nhiên, cũng có vài cuộc đụng độ xảy ra như sự kiện 1 trung đoàn Đức tấn công 1 đội do thám thuộc lữ đoàn thiết giáp 24 của Liên Xô tại Lviv nhưng sau một vài thương vong, cuộc đụng độ được hòa giải. Quân Đức nhanh chóng rút khỏi nơi này còn Liên Xô chiếm Lviv vào ngày 22 tháng 9.

66.000 lính Ba Lan đã chết trong các cuộc giao tranh. Ngoài ra còn có 660.000 lính bị Đức và Liên Xô bắt làm tù binh. 120 000 lính Ba Lan đã chạy trốn được sang România và Hungary, 20.000 người chạy sang Latvia và Litva trong khi chính phủ Ba Lan buộc phải sống lưu vong tại Luân Đôn. Thương vong của Đức là 16.000 người chết và 27.000 người bị thương. Đất nước Ba Lan bị tàn phá nặng nề, nhất là những khu vực chịu sự không kích của không quân Đức.

Trong suốt thời kì chiếm đóng của Đức, nhiều nhóm người Ba Lan vẫn bền bỉ kháng chiến. Phong trào chống Đức diễn ra sôi nổi, đặc biệt là những hoạt động của tổ chức Armia Krajowa (tạm dịch là "Quân đội trong nước"), thành lập vào tháng 2 1942 có nguồn gốc từ tổ chức Służba Zwycięstwu Polski (tạm dịch là "Sự giúp sức cho chiến thắng của Ba Lan") do tướng Michał Karaszewicz-Tokarzewski thành lập ngay từ 27 tháng 9 1939.[62].Ngoài tổ chức này, còn nhiều tổ chức kháng chiến khác hoạt động tại Ba Lan[63] Sự kiện do AK thực hiện gây chấn động nhất là cuộc khởi nghĩa Warsaw vào ngày 1 tháng 8 1944 nhằm giải phóng thủ đô Warsaw từ tay Đức Quốc xã nhưng cuộc khởi nghĩa này đã thất bại và bị đàn áp đẫm máu với 16.000 người khởi nghĩa chết và 6,000 người bị thương.[64]. Tổ chức này hoạt động đến ngày 20 tháng 1 1945 khi Hồng quân Liên Xô trên đường truy kích Đức tiến vào Ba Lan, tạo điều kiện cho Đảng cộng sản Ba Lan giành quyền lãnh đạo hoàn toàn Ba Lan.

Tình hình tại khu vực phía đông của Liên Xô thì phức tạp hơn. Một mặt, những người gốc Ukraina và Belarus hoan nghênh Hồng quân vì họ và dân tộc Nga có quan hệ gần gũi (nhóm chủng tộc đông Slav) và cùng thuộc về Đế quốc Nga trước kia. Nhưng ngược lại, người gốc Ba Lan (chủng tộc Tây Slav) thì coi Liên Xô là kẻ chiếm đóng. Tại phía đông, Liên Xô không gặp chống đối vì người gốc Ukraina và Belarus chiếm đa số tại đây. Trong khi đó ở phía tây, khu vực người gốc Ba Lan có tỷ lệ cao hơn, các tổ chức chống Liên Xô hoạt động bí mật trong thời gian 1940-1941, cho tới khi Ba Lan rơi vào tay Đức Quốc xã.

Cuộc tấn công Ba Lan đã chính thức mở đầu cho chiến tranh thế giới thứ hai. Thắng lợi nhanh chóng của Đức Quốc xã khiến cho thế giới phải sững sờ khi chưa đầy 1 tháng, quân đội Đức đã nghiền nát 1 nước có lục quân đứng hàng thứ 5 ở Châu Âu. Dư luận phải ấn tượng rất lớn trước sự chóng vánh của chiến thắng vẻ vang của nền Đệ tam Đế chế Đức. Tuy nhiên, các lãnh đạo cấp cao của quân đội Đức vẫn chưa thể hài lòng với chiến thắng và cho rằng quân Đức cần phải có 1 chương trình huấn luyện nhanh chóng sửa đổi những khiếm khuyết đã mắc ở Ba Lan để có thể đương đầu với các trận đánh lớn sắp tới với Anh-Pháp. Mặt khác, nước Đức giờ đây phải đương đầu với sự phong tỏa của Anh-Pháp khiến cho nhập khẩu của Đức giảm mạnh, nhất là xăng, dầu mà Đức đang thiếu trầm trọng. Đây cũng chính là nguyên nhân khiến Đức mở cuộc tấn công Scandinavia, Pháp và các nước Vùng đất thấp năm 1940. Không lâu sau khi nước Đức hoàn toàn hạ nốc ao Pháp trong Trận chiến nước Pháp, thuật ngữ "Blitzkrieg" (Chiến tranh Chớp nhoáng) ra đời trong từ điển tiếng Anh nhằm chỉ học thuyết chiến tranh của nền Đệ tam Đế chế Đức hồi ấy.