在德国空军集中兵力摧毁华沙市内供水系统和发电站的同时，第3、第10集团军也连续对该市进行了炮轰。德军企图利用侦察部队找出波军防御的弱点，然后进行进攻。而波兰军队在前罗兹集团军指挥官罗梅尔将军的指挥下，坚持英勇反击，致使德军几乎无法前进一步。华沙城里的波军弹药充足，市内被毁坏的地方成了很好的炮兵防御阵地。在这里，防御部队不仅包括常规军队的士兵，而且也有一支士气高昂的国民自卫队。
9月22日，希特勒来到第3集团军的司令部，视察了部署在华沙东部郊区普拉加的炮兵部队。尽管希特勒因德军迟迟不能摧毁华沙而大为恼火，但他同时又反对从维斯拉河东岸进攻华沙，以免激怒苏联军队。希特勒之所以做这样的决定，除了因为有可能带来德军的重大人员伤亡之外，还因为根据《苏德互不侵犯条约》的条款：这一地区应该属于苏联的管辖范围。鉴于这些原因，德军批准了一项进攻华沙西部地区的决定。这一决定将把大量的华沙市民赶到波兰东部去，从而使其成为苏联武装部队不得不面对的一个包袱。
进攻华沙的任务落到了刚消灭完库特诺口袋地区波军的第8集团军肩上。为部署这一进攻，德军首先要保证任何人都无法突出重围，这样波军对食品的需求就会增加，而时间一长，食物供给显然会变得紧缺。同时，德国空军继续轰炸华沙的自来水过滤站和抽水站，毁坏市内的正常供水系统。
9月27日，德军攻陷华沙。这样一来，华沙的居民们就不得不直接饮用维斯拉河中的水。他们可能很快就会染上伤寒或肠胃病。德军还切断了华沙大部分发电站的电源，并烧毁了该市的面粉加工厂。对华沙的居民和守军来说，饥饿马上就要降临到他们头上。
在德国第3集团军从北面轰炸华沙的同时，9月26日上午，第8集团军也开始对华沙发起了进攻。德国步兵冲破外围防线，开始取得进展。经过一天的激烈攻势之后，波兰军队要求停火休战，但这一要求遭到了德军的拒绝，因为他们要求驻守华沙的波军无条件投降。对罗梅尔将军和他的参谋们来说，败局已不可扭转，为了保护平民不受到更大的生命威胁，他们被迫接受了德军的条件。9月27日下午2点，驻守在华沙的14万名波军开始放下武器，举手投降。勃拉斯科维兹将军把攻占华沙一役的胜利归功于该市的防御者们，因为当时他们就要撤离华沙了。
华沙败降后，驻守在华沙北部的莫德林军团仍在顽强抵抗。德国将进攻华沙时用的大炮重新布置来对付莫德林防卫部队。9月27日，德军发动了一场渗透到波兰外部防线的全面进攻。由于莫德林驻军严重缺水，食品储备也越来越少，因此驻军指挥官汤米将军于9月28日（即华沙投降的第二天）要求休战。
此后，除了少数几支分散的小规模部队仍在波兰的密林丛中进行游击战以外，唯一坚持抵抗的地方就是波罗的海沿岸了，在这里还驻扎着几支拥有防御基地的波兰军队。尽管有关南方波军被摧毁的坏消息频频向他们传来，但波罗的海沿岸的波兰军队却仍然极为顽强地战斗着。虽然军队指挥官戴贝克上校成功地把大部分驻军撤离到在奥克斯伏特的新据点，但9月14日，德军还是夺取了波罗的海的主要港口格丁尼亚。9月16日和门日，德国空军发动了猛烈进攻，紧接着9月18日到19日，德军又发起主攻。经过这场打击，波军被彻底击垮了。在此次战斗中，戴贝克上校自杀殉国。
在9月29日德军发起最后一次地面进攻之前，守卫在海勒半岛的一小块延伸到但泽湾的陆地的波兰驻军就遭受了来自德国陆、海、空三军的打击和轰炸。但直到10月1日。驻守在那里的海军少将安鲁格才接受了德军的投降要求，波军被迫沿半岛撤退。
海勒守军投降后，除了10月份的第一个星期内还有几场小的战斗以外，1939年德国对波兰的战争就已经全面结束了。
经过36天的激烈战斗，波兰军队作为一个军事作战部队已完全被摧毁而不复存在了。战争中，波军死亡人数总数为6.63人，受伤人数13万人，德军声称俘获了近70万名波兰军人，但后来有人认为这个数字过高，他们认为德军很可能总共俘虏了大约40万名波兰军人，也许还有20万名波军被苏联俘虏后囚禁起来，很多人死在了那里，但也有一些人经由中东成功地逃脱出来了（此后，他们与英军并肩作战）。1939年9月，大约有10万名波兰军人逃出了德国和苏联的军事网络，逃到匈牙利、罗马尼亚和立陶宛。
根据德国官方修改后的数字显示，在这场战役中，德军共有1.06人丧生，3万人受伤和3400人失踪。整个9月份，共有217辆德军坦克被摧毁，战争损耗更是进一步降低了这些机械化师的战斗力。9月底，被迫向东普鲁士撤退的第19军团曾有一段时间因为检修包括坦克车、装甲汽车和卡车在内的破损车辆而完全不能行动。德国空军被损毁了285架飞机，其中有279架飞机根本不能修理而完全报废（波军在战斗中损失了284架飞机，由于其他原因损失了149架）。
在18世纪末期，波兰曾被普鲁土、奥地利和俄国3次瓜分，1939年，波兰又经历了第4次瓜分。为了最后敲定瓜分的细节问题，里宾特洛甫亲自飞往莫斯科，于9月28日签订了《苏德边界友好条约》在这一条约中，德国同意将立陶宛划到苏联的势力范围之内，同时作为补偿，德国将其控制的波兰领土继续向东延伸到布格河一线。尽管德国想获取波兰的产油区，但斯大林拒绝交出包括利沃夫和德赫贝卡、博尔斯劳产油区在内的散河以东领土。总的来说，苏、德双方对这一新条约还是相当满意的，但斯大林丝毫没有放慢要对波罗的海沿岸国家行使“权力”的步伐。这些国家面临着接受苏联控制的巨大压力。1940年8月波罗的海沿岸国家正式并入苏联之前，斯大林已把目标转向芬兰，要求割让苏芬边界的领土。由于芬兰拒绝了苏联的领土要求，1939年11月30日，苏芬战争爆发。尽管在战争的初期苏联红军损失惨重但在芬兰高级军官的妥协下，芬军于1940年3月被迫停战求和。