23 августа польская делегация дала отрицательный ответ на все советские предложения. 2 сентября стороны согласились перенести переговоры в Ригу, и их делегации покинули Минск.
Тем временем к 25 августа фронт стабилизировался по линии Августов-Липск-Кузница-Вислочь-Беловеж-Жабинка-Опалин. Еще 19 августа, когда войска Западного фронта уже отступили от Варшавы, из-под Львова стала отводиться 1-я Конная армия. Вместе с тем 25 августа 1-я Конная армия была по неадекватному приказу Каменева брошена в рейд на Замостье, не имевший ни смысла, ни цели. Хотя город был взят, длительные дожди, усталость личного состава, нехватка боеприпасов и активные действия поляков, стремившихся окружить армию, привели к тому, что в ночь на 31 августа большевики отступили на восток.
Хотя командование Западного фронта проиграло Варшавское сражение, оно считало, что войска могут еще раз попытаться взять столицу Польши. Возникла идея бросить войска 12-й, 14-й и 1-й Конной армий на Львов и оттеснить противника до линии Любачув-Самбор, что должно было оттянуть на юг прикрывавшие варшавское направление польские войска.
Все эти грандиозные планы уже ничего не значили. 1–6 сентября польские войска оттеснили части 12-й армии к востоку от р. Западный Буг южнее Брест-Литовска. Попытки 4-й и 12-й армий восстановить положение не дали результатов. Более того, на восток бежали и части 4-й армии, и 12 сентября польские войска взяли Кобрин и Ковель. 14 сентября поляки выбили советские части из Владимира-Волынского, а 16 сентября заняли Луцк. 12-й армия отступала к рекам Стырь и Стоход. 18 сентября поляки заняли Ровно и Тарнополь.
Тем временем в Белоруссии 14 сентября польские войска начали теснить войска 16-й армии на Волковыск и 19 сентября заняли Пружаны. Севернее Гродно литовские части еще 3 сентября отбросили поляков к Сувалкам, что, впрочем, не помешало тем провести несколько атак против советской 3-й армии 20 сентября. 21 сентября 12-я и 1-я Конная армии вновь были переданы в Юго-Западный фронт, из состава которого были выделены войска, ведущие борьбу с Врангелем, ликвидация которого стала основной задачей РККА. 24 сентября 2-я польская армия, оттеснив литовские войска, форсировала Неман севернее Гродно, обойдя правый фланг 3-й советской армии.
25 сентября 3-я армия отошла за Неман. Полякам удалось зайти в глубокий тыл 3-й армии к Лиде. В этих условиях командование фронтом отдало приказ об отходе войск 3-й армии к Лиде, а войск 15-й и 16-й армий — на р. Шару. Плохо организованные марши стали причиной того, что дивизиям 3-й армии пришлось зачастую пробиваться через заслоны польских частей. Опередив отходивших большевиков, поляки 28 сентября заняли Лиду. В тот же день советское командование фронтом приказало отвести войска на линию старых германских окопов. Тем временем 23 сентября польские части заняли Волковыск. В тот же день 16-я армия оставила Барановичи. В результате фронт 4-й армии оказался наиболее выдвинутым на запад, чем воспользовался Булак-Балахович, отряд которого 26 сентября прорвался к Пинску и овладел городом. Находившийся там штаб 4-й армии в панике бежал и утратил управление своими войсками.
На Украине командование Юго-Западного фронта 17 сентября приказало отступать и частям 14-й армии. 15 октября поляки заняли Минск, но 17-го оставили город, отойдя к демаркационной линии.
Поражение Красной Армии под Варшавой заставило большевиков перейти «к политике соглашательского мира с Польшей». Обескураженный Ворошилов 4 сентября отметил в письме к Орджоникидзе, что «мы ждали от польских рабочих и крестьян восстаний и революции, а получили шовинизм и тупую ненависть к «русским» (кавычки автора письма). Троцкий цинично объяснял поражение тем, что «человеческий материал пришел в состояние некоторого гипноза, или сомнамбулизма».
Однако и в этих условиях сторонники раздувания «мирового пожара» никак не могли унять свои чувства. Ленин, признавая, что большевики «потерпели… гигантское, неслыханное поражение», склонялся к тому, чтобы принять ноту Керзона и получить Восточную Галицию, «что стало бы важной базой для действий в Центральной Европе». Для того чтобы избежать еще одной зимней кампании, «следует замириться с Польшей и разбить Врангеля».
Тем временем в Варшаве 11 сентября решатся вопрос о составе и полномочиях делегации на переговорах с Москвой в Риге. Основным вопросом был, естественно, вопрос о границе. Польские военные настаивали на получении линии по Днепру, но в итоге было решено ограничиться линией перемирия по реке Збруч—реке Ствига-восточнее Ровно-Лунинца-Барановичей. Делегация получила право двигать эту линию на восток, заключать перемирие и прелиминарный договор и вести переговоры с РСФСР и УССР.
21 сентября стороны начали переговоры, которые проходили на фоне наступления польских войск на Волыни и в Белоруссии. Поскольку оказалось, что советские войска не в состоянии изменить ситуацию на польском фронте, а на юге продолжались ожесточенные бои с войсками Врангеля, большевики были вынуждены искать компромисс. 23 сентября от имени ВЦИК было заявлено, что РСФСР согласна на границу по линии река Шара-Огинский канал-река Ясельда—река Стырь и далее по границе Восточной Галиции, но мир должен быть заключен в течение 10 дней (до 5 октября). Но польская сторона не спешила. 1 октября Варшава посчитала советские предложения неприемлемыми, но решила добиваться перемирия, поскольку зимняя кампания польской армии была не нужна.
5 октября польской делегации было заявлено о согласии советской стороны с ее предложением о линии границы. При этом советская делегация выставила следующие условия: 1) подписать договор до 8 октября, 2) Польша признавала право РСФСР на транзит через свою территорию в Литву и Германию и 3) отказаться от включения в договор положений об уплате Польше суммы в золоте по титулу активного участия польских земель в экономической жизни Российской империи, заменив его упоминанием о том, что расчет будет произведен. Польская делегация ответила согласием, но потребовала подписать протокол о согласии РСФСР выплатить Польше определенную сумму в золоте и предоставить ей концессии в счет выплат. После получения согласия Москвы и согласования документов 12 октября в 19.30 был подписан мир между Польшей и РСФСР с УССР.
Стороны признали взаимную независимость, стремление к невмешательству во внутренние дела, отказ от поддержки враждебных друг другу действий и отказались от взаимных финансовых претензий, кроме признания участия Польши в экономической жизни Российской империи и в ее золотом запасе. Польше должны были быть переданы культурные и исторические ценности, эвакуированные из Царства Польского как до, так и во время Первой мировой войны. Было подписано также соглашение о перемирии, которое вступало в силу с 18 октября 1920 года. Все эти соглашения были ратифицированы УССР 20 октября, Польшей — 22 октября, а РСФСР — 23 октября.
Польские войска были отведены на демаркационную линию, а советские части вступили в Минск, Слуцк, Проскуров и Каменец-Подольский. В целом, согласно польской статистике, Польша получила западнобелорусские земли с населением в 3987 тысяч человек, из которых около 3 млн составляли белорусы, и западноукраинские территории примерно с 10 миллионным населением, из которого почти половина были украинцами.
