Во Львов также послали советского парламентера, но Лянглеру пока было не до переговоров. 19 сентября группа генерала Соснковского предприняла последнюю отчаянную попытку прорваться к городу. К этому моменту армия «Младопольска» насчитывала 7 батальонов пехоты и 6 артиллерийских батарей – всего около 3000 человек и 20 орудий. Им навстречу львовский гарнизон силами пяти батальонов организовал сильную контратаку. Однако вылазка цели не достигла. Хотя были отбиты два населенных пункта и на пике сражения польские группировки разделяло всего полтора километра, пробить оборону противника не удалось. Немцы перебросили на помощь 1-й горно-пехотной дивизии части 2-й горно-пехотной и 7-й пехотной дивизий. Атаки генерала Соснковского успеха не имели. Его артиллерия быстро израсходовала остатки боекомплекта и не смогла в решающий момент поддержать пехоту. Лишь отдельным солдатам и офицерам удалось просочиться сквозь немецкие боевые порядки во Львов, остальные погибли либо попали в плен. Генерал Соснковский сумел пересечь венгерскую границу и далее добраться до Парижа.
Утром 20 сентября наступило затишье. Ни немцы, ни русские, занятые урегулированием взаимных претензий, войти во Львов не пытались. Но в небе над городом барражировали уже краснозвездные самолеты. Наконец, около полудня германский военный атташе в Москве генерал-лейтенант Эрнст Кёстринг сообщил Ворошилову о том, что Гитлер отдал личный приказ «о немедленном отводе немецких войск на 10 километров западнее Львова и передаче Львова русским».
В ночь на 21 сентября германские войска начали отход. Их позиции занимали советские части, готовясь к атаке города, назначенной на 9 часов утра. 2-му кавалерийскому корпусу были подчинены 38-я, 10-я танковые бригады и сводный отряд 97-й и 96-й стрелковых дивизий.
План штурма 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. Примечательно, что даже в боевом приказе польский гарнизон именовался некой «фашистской организацией».
Советские войска заняли назначенные позиции, но утром польское командование объявило о готовности вести переговоры. Генерал Лянглер дрогнул. Тем более «общая директива» приказывала с Советами не воевать. Правда, генерал ничего не предпринял для выполнения второго пункта директивы – прорыва в Венгрию, хотя отход немецких войск создавал для этого реальные предпосылки.