Группировка «Брест» состояла из маршевых батальонов 34, 35 и 82-го пехотных полков, 1-й роты маршевого батальона 33-го полка, 81-го и 82-го караульных, 56-го саперного батальонов, 112-й и 113-й отдельных танковых рот, имевших на вооружении по 15 стареньких «Рено» FT-12, а также взвода танкеток TKS, 9-го автомобильного дивизиона, 49-го дивизиона полевой артиллерии, 3-й зенитной батареи, караульной роты, роты связи, отдельных групп офицеров и солдат различных родов войск и медико-санитарной службы. Польские силы в общей сложности насчитывали около 4000 солдат и офицеров, 18 полевых орудий, 8 зениток, 36 танков и танкеток. Генерал Плисовский, не имея сил организовать оборону по линии внешних фортов Брестской крепости, принял решение дать бой в Цитадели, а также в прикрывавших северные и западные подступы Кобринском и Тереспольском укреплениях. Пехота заняла позиции на валах, где были оборудованы пулеметные гнезда и отрыты окопы полного профиля. Вся артиллерия и частично вкопанные в землю танки были сконцентрированы на северном направлении. Саперы произвели минирование подъездов к крепости, мостов, ведущих на Центральный остров, и подступов к Цитадели. На железнодорожной станции стояли в готовности два бронепоезда.

Передовые немецкие подразделения вышли в район Бреста 13 сентября и вступили в огневой контакт с польскими отрядами. В тот же день генерал Плисовский уведомил генерала Клебэрга о том, что часть немецких танковых и моторизованных соединений обходит Брест с северо-востока, устремляясь к позициям польской дивизии «Кобрин». Чтобы сковать маневр противника, Плисовский выслал в восточном направлении бронепоезд № 55 «Бартош Гловацкий» (вооружение: четыре 100-мм гаубицы, два 75-мм зенитных орудия, два 40-мм «бофорса», 8 пулеметов «максим») под командованием капитана Анджея Подгурского. В районе Жабинки, в 20 километрах восточнее Бреста, с бронепоезда выгрузили взвод танкеток, переоборудованных в бронедрезины, которые вели разведку в сторону моста через речку Мухавец. Здесь они столкнулись с разведывательными бронеавтомобилями 3-й танковой дивизии немцев. В ходе боя три польские машины были подожжены, а две отступили. Дальнейшее продвижение немцев было временно приостановлено огнем бронепоезда. Однако, опасаясь быть отрезанным от Бреста, капитан Подгурский принял решение вернуться в город. В это же время бронепоезд № 53 «Смелый» под командованием капитана Мечислава Малиновского провел разведку в сторону Высокого, в северном направлении, где столкнулся с танками 10-й германской дивизии. Бронепоезд произвел огневой налет, а затем отступил. Предвидя, что противник вскоре захватит брестский железнодорожный узел, генерал Плисовский отправил оба бронепоезда в сторону Ковеля.

Утром 14 сентября 3-я танковая дивизия генерала Гейера фон Швеппенбурга захватила Жабинку, перехватив железные дороги на Кобрин и Барановичи. В полдень 10-я танковая дивизия, которой командовал генерал Штумпф, заняла Брест и железнодорожный вокзал. 20-я мотодивизия генерала Викторина двигалась от Волчина, вдоль правого берега Буга к крепости. Передовые подразделения 3-й танковой дивизии обходили город с востока и выдвигались к Бугу.

Разведывательный батальон и 8-й танковый полк 10-й дивизии, поддержанные артиллерией и авиацией, с ходу атаковали линию польской обороны в Кобринском укреплении. Этот натиск был отбит огнем противотанковых ружей, артиллерии и 112-й танковой роты. Непреодолимой преградой оказались польские танки, заблокировавшие Северные ворота своими корпусами и пушечно-пулеметным огнем. Для подстраховки, на случай прорыва «панцеров» противника, в 150 метрах позади ворот находилась позиция батареи зенитных орудий подпоручика Анджея Блешинского. Несколько немецких машин подорвалось на минах, пехота расстреливалась в упор с хорошо замаскированных стрелковых позиций. Во второй половине дня немцы возобновили атаки. В ожесточенной схватке растаяли обе польские танковые роты, но оборона снова устояла.