剧照：波军操作博福斯高射炮
随后，由波卢卡洛夫少校指挥的27辆苏军轻型坦克赶到，并决定继续攻击格罗德诺城区南部，很快苏军第27装甲旅也派来一个营的坦克部队，使得波卢卡洛夫少校手下的坦克激增到65辆，不过这次进攻还是失败收场，苏军仅在河流左侧占据了部分建筑物，形成一个小型登陆场。傍晚，苏军第119步兵团的两个营在炮火和机枪的掩护下也渡过河。
苏军傍晚的这次行动，目的是攻占格罗德诺城郊的东正教和天主教墓地，守卫这一阵地的只有十几名波兰志愿者，他们在深夜被苏联人赶出了阵地，这一阵地的失守使得苏军能对格罗德诺铁路桥形成直接威胁。不过总得来说，苏军在第一天的进攻还是失败的，除了损失了上文提到的若干坦克和装甲车辆外，苏军另伤亡官兵26人，6辆坦克被击伤。
剧照：堆满沙包的苏军BA-20装甲车
整个20日晚上，苏军都在炮击波军阵地，双方也都各派出小分队刺探对方前沿阵地。波军退休准将瓦茨瓦夫·扬·普热兹茨基（Wacław Jan Przeździecki，1883-1964）曾提议全军应撤到立陶宛境内，而这也正是总司令部的命令，但遭到大部分防御者的反对。尽管如此，普热兹茨基还是动员了1000余人撤出格罗德诺，这些人大部分都是当地的波兰官员及其家属。
9月21日早上，第20步兵旅的一个机动步兵营和第27装甲旅的又一个坦克营抵达，苏军将所有坦克和绝大部分装甲车分摊到各个营的步兵连中，并为每个车组分配了特定任务。当天凌晨，经过炮火准备，苏军同时从西南、南部和东南三个方向向格罗德诺市中心发起攻击。苏军没有封锁这座城市的北部和东部，算是给守军开放一条逃生通道。
苏军元帅叶廖缅科也参与了攻打格罗德诺
在当日的战斗中，苏军第119步兵团1、2营在两个波军步兵连的反突击下一度陷入危机，不过在第16步兵军的机械化连的支援下得以转危为安，沿内穆纳斯河左岸进攻的该团3营也遭到波军的猛烈抵抗，不得不寻求第101步兵团的支援。未来的苏军元帅安德烈·叶廖缅科（Andriej Jeriomienko，1892-1970）指挥着第6骑兵军的机械化部队也加入作战，但受阻于大桥旁的烟草厂无法行动。
另一方面，从南部和东南部推进苏军则更为成功，第119步兵团2、3营交替掩护前进，前后攻占第29步兵师炮兵团的营房、邮局、发电厂和油库。到21日下午，苏军已推进到市中心，在装甲部队的支援下，城内波军据点相继陷落。到当日深夜，只剩格罗德诺城堡和职业学校等据点还在顽抗。
剧照：被燃烧瓶击中的苏军坦克
由于晚上黑灯瞎火，苏军装甲部队行动不便，战斗得以暂时停歇。城内不少波军趁机脱下军服躲藏入平民之中，另有不少人突围去了立陶宛，其中包括这次战斗的指挥官副市长萨维克和塞拉芬少校。次日中午，集结在城外的苏军部队全部进城，这次仅付出了负伤7人的代价便将整个城市完全控制，并俘虏了城中剩余的1000多名波兰武装人员。
据苏联官方记录显示，在20-22号三天的战斗中，苏军共有53人死亡、161人受伤，另有19辆坦克和3辆装甲车被摧毁，其中大部分是毁于波军临时赶制的燃烧瓶建议爆炸装置。但一些波兰历史研究人员不服气地认为，苏军肯定隐瞒了自己的伤亡数字（虽然毫无根据）。另一方面，波兰人在这次事件中的人员伤亡数据也很难确定（苏军宣称歼灭300余人），因为波兰人认为苏军枪*了不少被俘的波军（大部分没有证据）。
