Наступавшие севернее соединения 2-го кавкорпуса с утра 18 сентября форсировали р. Серет и в 10.00 получили приказ командования Украинского фронта форсированным маршем двинуться ко Львову и овладеть городом.
Поскольку конский состав нуждался в отдыхе, командир корпуса создал сводный мотоотряд из 600 спешенных кавалеристов, посаженных на танки 5-й кавдивизии и батальона 24-й танковой бригады под командованием командира 5-й кавдивизии комбрига И. Шарабурко. Отряд двинулся ко Львову.
Остальные войска 6-й армии по мере возможности также продвигались к этому городу, который 12–18 сентября был окружен 1-й и 2-й горнопехотными дивизиями вермахта с севера, запада и юга. В ходе маршей 14-я кавдивизия у Сасува сломила сопротивление местного гарнизона и полиции.
В ночь на 19 сентября от Бродов к городу подошла колонна польских войск, которая была разоружена частями Красной Армии. К утру 19 сентября 2-й кавкорпус занял Злочув, а к вечеру 20-го 14-я кавдивизия достигла Ярычева, Баршевеше, а 3-я кавдивизия – Калиновки, Бялки Шляхецкой в 8 км от Львова. В 16.20 2-му кавкорпусу были подчинены 38-я, 10-я танковые бригады и сводный отряд 97-й и 96-й стрелковых дивизий. Началась подготовка штурма города, намеченного на 9 утра 21 сентября.
План штурма города сводился к следующему: 14-я кавдивизия должна была атаковать город с севера и северо-востока. Сводный отряд 17-го стрелкового корпуса с 38-й танковой бригадой – с востока, 5-я кавдивизия вместе с 10-й танковой бригадой – с юго-востока, а 3-я кавдивизия – с юга и юго-запада. Поскольку переговоры с польским командованием никаких результатов не дали, было решено начать атаку Львова в 9.00 21 сентября. В назначенное время советские войска двинулись к городу, но польское командование возобновило переговоры, и советские части были возвращены в исходное положение. В 17 часов возле дрожжевого завода на восточной окраине Львова командир польского гарнизона генерал В. Лянгер в сопровождении своих офицеров встретился с комбригами П. А. Курочкиным и Н. Д. Яковлевым и сопровождающими их офицерами. Польская сторона заявила о готовности капитулировать, но сделать это следовало организованно.
Вернувшись в город около 20 часов, Лянгер объявил на совещании командования обороны о решении сдать Львов Красной Армии. Большинство офицеров гарнизона высказалось за окончание боев.
В 8.00 22 сентября командир польского гарнизона генерал В. Лянгер с составленными накануне предложениями для переговоров прибыл в штаб 24-й танковой бригады в Винники. В результате