В то же время польское военное командование готовилось к военной операции против Украинской Социалистической Советской Республики, имевшей с РСФСР договор о военном и хозяйственном союзе. 22 апреля руководство Польши подписало с УНР во главе с С. В. Петлюрой политический договор, а 24 апреля – секретную военную конвенцию. 25 апреля армии Польши и УНР перешли в наступление на 500-километровом фронте от р. Припять до р. Днестр, в течение нескольких дней захватили Житомир, Бердичев, Жмеринку, Винницу, Фастов. 29 апреля командование Западным фронтом РККА принял М. Н. Тухачевский. Южная часть фронта была преобразована в Юго-Западный фронт под командованием А. И. Егорова. 7 мая в оставленный красными Киев вступила польская кавалерия.
14 мая Тухачевский начал наступление в Белоруссии. Несмотря на первоначальный успех, к 27 мая оно остановилось. 1 июня польские силы перешли в контрнаступление и к 8 июня нанесли Красной армии поражение. Командование РККА срочно начало перебрасывать на польский фронт части с Урала, Северного Кавказа, из Сибири и центральных районов страны. На Юго-Западном фронте ситуацию в пользу войск РСФСР переломила переброшенная с Кавказа 1-я Конная армия С. М. Будённого. 26 мая она начала наступление и 12 июня заняла Киев. 10 июля части РККА установили контроль над Ровно, 12 июля штурмом овладели Каменец-Подольским.
4 июля на Западном фронте в Белоруссии началось новое наступление. 11 июля войска РККА заняли Минск, 14 июля – Вильно (Вильнюс). 25 июля Юго-Западный фронт начал наступательную операцию с целью захвата Львова. Польская армия и части УНР оказали упорное сопротивление и в битве под Бродами (29 июля – 3 августа) остановили 1-ю Конную армию. К концу июля красные контролировали Белоруссию и большую часть Западной Украины. 26 июля РККА перешла польскую границу и 1 августа взяла Брест. 30 июля в Белостоке большевики создали Временный революционный комитет Польши, который должен был принять власть после взятия Варшавы.
К этому времени польское командование провело мобилизацию и перегруппировку, стянув основные силы к Варшаве. 6 августа из прежних двух фронтов польские войска перегруппировали в три фронта – Северный (генерал Ю. Галлер), Средний (генерал Э. Рыдз-Смиглы, с 14 августа – Ю. Пилсудский) и Южный (генерал В. Ивашкевич). 12 августа войска Западного фронта РККА перешли в наступление, целью которого был захват Варшавы, и 14 августа вышли на подступы к ней. В тот же день 5-я польская армия нанесла сильный контрудар в стык армий Западного фронта, а контрнаступление Среднего фронта 16 августа создало угрозу окружения всех войск РККА в районе Варшавы. Понеся тяжелые потери и не имея резервов, армии Тухачевского начали отступление. Часть войск не смогла пробиться на восток и вынужденно отошла на территорию Восточной Пруссии, где была интернирована. Начал отступление и Юго-Западный фронт. Попытки РККА организовать оборонительные рубежи и контрудары окончились неудачей, и 12 октября поляки вновь вошли в Минск. В тот же день представители Польши, РСФСР и Украинской ССР заключили перемирие.
18 марта 1921 г. в Риге между Польской Республикой с одной стороны и РСФСР (делегация которой представляла также Белорусскую ССР) и Украинской ССР – с другой, был подписан Рижский мирный договор, завершивший Советско-польскую войну.