Развернутые на границе войска 8-й армии перестроились в походно-парадные колонны и, получив задачу занять важнейшие пункты, начали продвижение в Эстонию и северо-восточные районы Латвии. Части 65-го особого стрелкового корпуса вместе с десантом Балтийского флота заняли Таллин. Десантная операция в Гайжунах была отменена, и 720 десантников из состава 214-й воздушно-десантной бригады на 63 самолетах ТБ-3 были переброшены на аэродром Шауляя. Их придали 2-й и 27-й танковым бригадам 3-й армии, сосредоточившимся к исходу дня в районе Ионишкис. В тот же день, 17 июня, к 13 часам танковые бригады и части 121-й и 126-й стрелковых дивизий вошли в Ригу. Остальные части 3-й армии заняли юго-восточные, а части 2-го ОСК западные районы Латвии. В последующие дни Красная Армия продолжала оккупацию Прибалтики, которая в основном завершилась к 21 июня 1940 года.
Несмотря на мирное продвижение, советские войска имели потери, которые, по неполным данным, составили 58 человек убитыми (самоубийств – 15, погибло – 28, утонуло – 15) и 158 человек ранеными.
С 21 июня управление 8-й армии разместилось в Тарту, 3-й армии – в Риге, 11-й армии – в Каунасе. На командиров корпусов была возложена ответственность за порядок, сохранность военных объектов, взаимоотношения с вооруженными силами республик, но им запрещалось вмешиваться в политическую жизнь. Войскам было приказано «в разговорах с населением и местными властями… уважать самостоятельность литовского государства и объяснять, что Красная Армия выполняет лишь мирный договор о взаимопомощи».
Формально прибалтийские республики продолжали оставаться «независимыми», хотя уже 17 июня нарком обороны Тимошенко направил Сталину и Молотову докладную записку с планом «организационных мероприятий» на ближайшее время:
.