Вечером 20 сентября, при поддержке подоспевшего 119-го стрелкового полка 13-й стрелковой дивизии, 27-я танковая бригада занималась зачисткой южной части Гродно, а подтянувшаяся артиллерия приступила к обстрелу занеманской части города.

Ночью группа младшего лейтенанта Шайхуддинова с помощью местных проводников на лодках переправилась на правый берег реки в двух километрах восточнее города, но ее продвижение было остановлено огнем пулеметных точек, оборудованных в районе кладбища. В ходе ночного боя 119-му полку удалось закрепиться на правом берегу и выйти на подступы к восточным окраинам. Поляки, в свою очередь, совершали вылазки на советские позиции.

На станцию Гродно с наступлением темноты прибыли два эшелона с эвакуировавшимися польскими войсками. Часть из них влилась в ряды защитников города, например, отряд из двух батальонов запасного центра 19-й пехотной дивизии под командованием полковника Блюмского. Своим ходом добрались до цели и решили задержаться 101-й и 102-й уланские полки резервной кавалерийской бригады во главе с генералом Пшезьджецким, принявшим на себя руководство обороной. «Гродно словно вымер, – вспоминал командир эскадрона улан подпоручик Януш Вильхорский, – ворота закрыты и заперты на засовы, окна закрыты ставнями. На улицах встретили только раз полицейский патруль. То в одном, то в другом месте стояли корпуса сожженных советских танков. В памяти остался разрушенный артиллерийскими снарядами кинематограф, с вывалившимся на улицу аппаратом и обгоревшими лентами фильма, валяющимися на проезжей части; на разбитой стене нелепо смотрелись фрагменты красочных плакатов с американскими кинозвездами».

Самые благоразумные покидали обреченный на «освобождение» город. Так, утром 21 сентября большая группа военных, полицейских, служащих общим числом около тысячи человек под руководством полковника Адамовского на реквизированных машинах, автобусах, телегах, велосипедах и пешком, невзирая на протесты жителей, эвакуировалась из Гродно в направлении литовской границы. Раненых защитников жители предусмотрительно укрывали в своих домах, оставив в госпитале только пострадавших от обстрелов обывателей и пленных красноармейцев.

Тем временем к городу подошел советский 101-й полк 4-й стрелковой дивизии, который также переправился на правый берег и развернулся севернее 119-го полка. В 6 часов полки, усиленные четырьмя орудиями и двумя танками, перешли в наступление и, несмотря на контратаки поляков, к 12 часам вышли на линию железной дороги, а к 14 часам достигли центра Гродно. Советские стрелковые подразделения были поддержаны огнем и гусеницами подоспевшей моторизованной группы 16-го стрелкового корпуса, подавившей огневые точки на восточной окраине. Однако, попав под фланговый огонь пулеметов, пехота вновь отошла на окраину, а танки снова вынуждены были вести уличные бои в одиночку. Так, бутылками с горючей смесью поляки сожгли вместе с экипажем танк командира взвода младшего лейтенанта Александрова и механика-водителя Комарова. К вечеру боевые машины тоже были выведены из города.

До самых сумерек кипел бой в районе Королевского Замка, казарм 81-го пехотного полка и расположенного рядом с казармами здания школы.

«Остатки польской армии, главным образом офицерские части и банды фашистских молодчиков, – кипела негодованием газета «Советская Белоруссия», – бессильные в открытом бою приостановить сокрушительный натиск Красной Армии, укрепились в Гродно, трусливо спрятавшись за спины мирного населения.